Nghiên cứu sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn và biện pháp chỗng đỡ, áp dụng cho hầm dẫn nước thủy điện sông côn 2 tỉnh quảng nam

LỜI CẢM ƠN Trong khuôn khổ hạn chế của luận văn, với những kết quả còn rất khiêm tốn trong việc nghiên cứu sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn và biện pháp chống đỡ, tác giả của luận văn

LỜI CẢM ƠN

Trong khuôn khổ hạn chế của luận văn, với những kết quả còn rất khiêm tốn trong việc nghiên cứu sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn và biện pháp chống đỡ, tác giả của luận văn hy vọng đóng góp một phần nhỏ bé phục vụ thực tế cho lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và xây dựng các công trình Thủy lợi - Thủy điện đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta

Bằng kinh nghiệm thực tế khi tham gia thiết kế và giám sát tại hiện trường công trình thủy điện Sông Côn 2, đã giúp tác giả có thêm nhiều kiến thức thực tế để viết luận văn này Tác giả đặc biệt xin được bày tỏ lòng cảm ơn tới Thầy giáo - GS

TS Vũ Trọng Hồng đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong Bộ môn thủy công, thi công, Khoa Công trình - Trường Đại học Thủy lợi, Viện thuỷ điện và Năng lượng tái tạo - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả về các tài liệu, thông tin khoa học kỹ thuật và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bài luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất

Tác giả

Nguyễn Tiến Dũng

BẢN CAM KẾT VỀ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Kính gửi: Ban Giám hiệu trường Đại học Thuỷ Lợi

Khoa Công Trình

Phòng Đào tạo ĐH&SĐH

Bộ môn Công nghệ & Quản lý Xây dựng

Tên tôi là: Nguyễn Tiến Dũng

Ngày tháng năm sinh: 16/09/1980

Học viên cao học lớp: CH18C11, niên khoá: 2010 - 2013, trường Đại học Thuỷ lợi

Tôi viết bản cam kết này xin cam kết rằng đề tài luận văn “Nghiên cứu sự

hình thành vòm áp lực do nổ mìn và biện pháp chống đỡ, áp dụng cho hầm dẫn

n ước thủy điện Sông Côn 2 – tỉnh Quảng Nam” là công trình nghiên cứu của cá

nhân mình Tôi đã nghiêm túc đầu tư thời gian và công sức dưới sự hướng dẫn của

GS.TS Vũ Trọng Hồng để hoàn thành đề tài theo đúng quy định của nhà trường

Nếu những điều cam kết của Tôi có bất kỳ điểm nào không đúng, Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và cam kết chịu những hình thức kỷ luật của nhà trường

Hà nội, ngày … tháng … năm 2013

Cá nhân cam kết

Nguyễn Tiến Dũng

MỤC LỤC

27T

CHƯƠNG 127T 327T

ĐẶC ĐIỂM THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ MÌN.27T 327T

1.1.27T 27TTổng quan phương pháp thi công đường hầm.27T 327T

1.2.27T 27TĐặc điểm đào đường hầm bằng phương pháp nổ mìn.27T 1127T

1.2.1.27T 27TPhương pháp đào toàn mặt cắt.27T 1127T

1.2.2.27T 27TPhương pháp mở một phần mặt cắt rồi hạ bậc.27T 1127T

1.2.3.27T 27TPhương pháp đào phân đoạn – NATM27T 1227T

1.2.4.27T 27TTrình tự đào.27T 1327T

1.3.27T 27TẢnh hưởng của nổ mìn đến chất lượng khối đá xung quanh.27T 1427T

1.3.1.27T 27TLý luận cơ bản về nổ phá.27T 1427T

1.3.2.27T 27TTác dụng của mặt thoáng đối với nổ phá – sự hình thành phễu nổ.27T 1527T

1.4.27T 27TKết luận.27T 1827T

CHƯƠNG 227T 1927T

SỰ HÌNH THÀNH VÒM ĐÁ NỨT NẺ DO NỔ MÌN GÂY RA.27T 1927T

2.1.27T 27TNguyên lý cơ bản về nổ mìn.27T 1927T

2.1.1.27T 27TLý thuyết về sóng nổ.27T 1927T

2.1.2.27T 27TSóng nổ xung kích theo quan điểm thủy khí động học27T 1927T

2.1.3.27T 27TSự hình thành sóng nổ địa chấn theo quan điểm lý thuyết đàn hồi.27T 2227T

2.2.27T 27TSóng xung kích và són g phản xạ do nổ mìn gây ra.27T 2327T

2.3.27T 27TTác dụng phá hoại của sóng xung kích đến môi trường đá xung

quanh.27T 2427T

2.3.1.27T 27TPhân loại sóng:27T 2527T

2.3.2.27T 27TPhá vỡ đất đá.27T 3027T

2.4.27T 27TKết luận.27T 3827T

CHƯƠNG 327T 3927T

XÁC ĐỊNH VÒM ÁP LỰC DO NỔ MÌN LÊN KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ VÀ

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN.27T 3927T

3.1.27T 27TSự hình thành vòm áp lực trong quá trình đào đường hầm.27T 3927T

3.2.27T 27TCác biện pháp gia cố trong quá trình đào.27T 4027T

3.2.1 Treo (neo, phun bê tông) 43 27T

3.2.2.27T 27TKhung chống (bằng gỗ hoặc bê tông cốt thép).27T 4327T

3.3.27T 27TĐặc điểm gia cố kết cấu khung.27T 4327T

3.3.1.27T 27TKết cấu kiểu khung gỗ hình đa giác.27T 4327T

3.3.2.27T 27TKết cấu khung kiểu vòm thép.27T 4427T

3.4.27T 27TXác định áp lực do đất đá tác dụng lên khung chống đỡ.27T 4527T

3.4.1.27T 27TKhi chưa xét đến tác dụng nổ mìn.27T 45

3.4.2.27T 27TKhi chỉ xét đến tác dụng nổ mìn.27T 4827T

3.4.3.27T 27TSơ đồ tính toán.27T 5127T

3.5.27T 27TSử dụng phần mềm để giải bài toán.27T 5227T

3.5.1.27T 27TKhái niệm.27T 5227T

3.5.2.27T 27TCác mô hình tính.27T 5327T

3.5.3.27T 27TCác dạng phần tử27T 5327T

3.6.27T 27TKết luận.27T 5927T

CHƯƠNG 427T 6027T

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ BIỆN PHÁP CHỐNG ĐỠ CHO ĐƯỜNG HẦM THỦY ĐIỆN SÔNG CÔN 227T 6027T

4.1.27T 27TGiới thiệu công trình.27T 6027T

4.1.1.27T 27TVị trí công trình.27T 6027T

4.1.2.27T 27TNhiệm vụ của công trình.27T 6027T

4.1.3.27T 27TThông số của công trình.27T 6127T

4.1.4.27T 27TBố trí tuyến năng lượng công trình thuỷ điện Sông Côn 2.27T 6427T

4.2.27T 27TKết quả tính toán.27T 6527T

4.2.1.27T 27TCác tài liệu đầu vào.27T 6527T

4.2.2.27T 27TTính toán.27T 6727T

4.3.27T 27TTính toán kết cấu chống đỡ bằng phần mềm SAP2000.27T 7427T

4.4.27T 27TKết luận.27T 8427T

4.5.27T 27TMột số nhận xét thực tế tại công trường Thủy điện Sông Côn 2, tỉnh Quảng Nam.27T 8427T

4.5.1.27T 27TChọn tuyến hầm:27T 8427T

4.5.2.27T 27TThiết kế thủy công hầm.27T 8427T

4.5.3.27T 27TTổ chức thi công hầm.27T 8527T

4.5.4.27T 27TMô tả sự cố sụt nóc ngách hầm số 2.27T 8527T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ27T 8927T

TÀI LIỆU THAM KHẢO.27T 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

27T

Bảng 2-1: Hệ số KR N R, KR P Rtrong công thức (2-8), (2-9).27T 2927T

Bảng 3-1 – Trị số Ka27T 4727T

Bảng 3-2 Trị số của ε.27T 4927T

Bảng 3-4 Trị số của Kđ.27T 5027T

Bảng 3-5 Hệ số lệch tải.27T 5127T

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật công trình27T 6127T

Bảng 4.2: Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất đá27T 6727T

Bảng 4.3 Chỉ tiêu cơ lý 2 mặt cắt đại diện tính toán27T 6827T

Bảng 4.4 Kết quả tính áp lực phân bố đều tác dụng lên 1m hầm27T 7527T

Hình 1.11 Sơ đồ các vùng phá hoại của đất đá khi nổ có một mặt thoáng.27T 1627T

Hình 1.12 Sơ đồ phễu nổ.27T 1727T

Hình 2.1: Sơ đồ nổ trên không và các mặt gián đoạn.27T 2027T

Hình 2.2: Sự thay đổi của áp lực phía sau đầu sóng xung kích27T 2127T

Hình 2.3 Áp lực của sóng nổ theo thời gian.27T 2227T

Hình 2.4a: Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa.27T 2327T

Hình 2.4b: Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa.27T 2327T

Hình 2.5 Minh họa sóng cầu và sóng phẳng.27T 2627T

Hình 2.6 Đồ thị biên độ của sóng nổ theo thời gian.27T 2827T

Hình 2.7 Các vùng ảnh hưởng khi nổ mìn.27T 2927T

Hình 2.8 Sơ đồ phá vỡ đất đá đồng chất xung quanh lượng thuốc nổ.27T 3027T

Hình 2.9 Sơ đồ tạo thành sóng phản xạ ở mặt thoáng.27T 3327T

Hình 2.10: Sơ đồ xác định các thông số của sóng ứng suất27T 3427T

trong đất đá khi nổ lượng thuốc.27T 3427T

Hình 2.11: Sơ đồ trị số ứng suất khi nổ lượng thuốc trong đất đá nứt nẻ.27T 3527T

Hình 2.12 Sơ đồ phản xạ của sóng chấn động từ mặt thoáng27T 3627T

Hình 3.1: Thanh neo phổ thông dính kết bằng vữa xi măng cát.27T 41

- Nếu coi gần đúng các lực tác dụng lên kết cấu chống đỡ là áp lực đều thì ta có sơ đồ:27T 5227T

Hình 3.9b: Sơ đồ lực phân bố đều tác dụng lên kết cấu chống đỡ sau khi nổ mìn.27T 5227T

Hình 3.10a: Phần tử thanh 2 nút Hình 3.10b: Phần tử thanh 3 nút27T 5427T

Hình 3.11a: Phần tử dầm 2 nút Hình 3.11b: Phần tử dầm 3 nút27T 5427T

Hình 3.12 - Sơ đồ chịu lực tổng quát của phần tử.27T 5627T

Hình 3.13 - Sơ đồ giải bài toán theo phương pháp PTHH.27T 5827T

Hình 4.1- Sơ đồ áp lực lên kết cấu chống đỡ.27T 6827T

Hình 4.3- Sơ đồ áp lực đều lên kết cấu chống đỡ.27T 7127T

Hình 4.4- Sơ đồ áp lực lên kết cấu chống đỡ.27T 7227T

Hình 4.5- Sơ đồ áp lực đều lên kết cấu chống đỡ.27T 7327T

Hình 4.6 – Mô phỏng tổ hợp tải trọng lên khung chống Mặt cắt 1:27T 7527T

Mặt cắt 1:27T 7627T

Hình 4.7 Chuyển vị khung chống27T 7627T

Hình 4.8 Mô men M3327T 7727T

Hình 4.9 Lực dọc N27T 7827T

HÌnh 4.10 Chuyển vị khung chống27T 7927T

Hình 4.11 Mô men M3327T 8027T

Hình 4.12 Lực dọc N27T 8127T

Hình 4.13 Tác giả (bên trái) cùng đồng nghiệp khi tham gia giám sát27T 8627T

thi công đường hầm dẫn nước Sông Côn 2.27T 8627T

Hình 4.14 Hàn khung thép tại công trường27T 8727T

Hình 4.15 Đào và gia cố tạm bằng thép I16.27T 8727T

Hình 4.16 Một đoạn hầm sau khi đã gia cố tạm.27T 88

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Do có tính ưu việt hơn hẳn là tiết kiệm diện tích chiếm đất, ít tác động đến môi trường, rút ngắn chiều dài tuyến công trình so với việc đào kênh dẫn, làm đường ống hay làm đường nên ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu đường hầm đang rất được quan tâm Với đặc điểm địa chất thường không đồng nhất nên để đảm bảo an toàn khi thi công qua các vùng địa chất khác nhau là cực kỳ quan trọng Trong luận văn này, học viên ứng dụng phần mềm, mô phỏng sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn, từ đó đưa ra biện pháp chống đỡ cho phù hợp để an toàn và giảm chi phí cho công tác thi công Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, phù hợp để áp dụng vào công trình thực tế là Thuỷ điện Sông Côn 2 – Tỉnh Quảng Nam, và các công trình tương tự khác

2 Mục đích của Đề tài:

- Nghiên cứu sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn

- Mô hình hóa và giải quyết bài toán mô hình bằng phần mềm

- Các tính toán được cụ thể hoá tại đường hầm dẫn nước của công trình thuỷ điện Sông Côn 2, tỉnh Quảng Nam

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có trong và ngoài nước về vấn đề thi công đường hầm

Nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn để mô tả vòm áp lực do nổ mìn

Sử dụng phần mềm SAP 2000 để tính toán

4 Kết quả dự kiến đạt được:

Xác định được giới hạn sự hình thành vòm áp lực do nổ mìn, từ đó đưa ra kết cấu chống đỡ

5 Nội dung của luận văn:

CHƯƠNG 1 Đặc điểm thi công đường hầm bằng phương pháp nổ mìn

1.1 Tổng quan phương pháp thi công đường hầm

1.2 Đặc điểm đào đường hầm bằng phương pháp nổ mìn

1.3 Ảnh hưởng của nổ mìn đến chất lượng khối đá xung quanh

1.4 Kết luận

CHƯƠNG 2

Sự hình thành vòm đá nứt nẻ do nổ mìn gây ra

2.1 Nguyên lý cơ bản về nổ mìn

2.2 Sóng xung kích và sóng phản xạ do nổ mìn gây ra

2.3 Tác dụng phá hoại của sóng xung kích đến môi trường đá xung quanh

2.4 Kết luận

CHƯƠNG 3 Xác định vòm áp lực do nổ mìn lên kết cấu chống đỡ và phương pháp tính toán

3.1 Sự hình thành vòm áp lực trong quá trình đào đường hầm

3.2 Các biện pháp gia cố trong quá trình đào

3.3 Đặc điểm gia cố kết cấu khung

3.4 Xác định áp lực do đất đá tác dụng lên khung chống đỡ

3.5 Sử dụng phần mềm để giải bài toán

3.6 Kết luận

CH ƯƠNG 4

Áp dụng phương pháp tính toán và biện pháp chống đỡ cho đường hầm Thủy

điện Sông Côn 2

4.1 Giới thiệu công trình

4.2 Kết quả tính toán

4.3 Tính toán kết cấu chống đỡ bằng phần mềm

4.4 Kết luận

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ MÌN 1.1 Tổng quan phương pháp thi công đường hầm

Đường hầm là một loại công trình ngầm (những loại khác thuộc công trình ngầm như nhà máy ngầm, thành phố ngầm, bãi chứa xe, thư viện, hầm trú ẩn, kho nước, kho xử lý chất phóng xạ ) Bản thân đường hầm chỉ là một không gian dài, nằm ngang hoặc gần ngằm ngang, tiếp xúc với mặt đất ở hai đầu hầm Quá trình đào hầm phải mở thêm cửa hầm phụ để đào thêm gương hầm, các giếng đứng tiếp xúc với mặt đất chỉ ở trên đỉnh để vận chuyển người vào lò, các giếng nghiêng tiếp xúc với mặt đất chỉ một đầu nhằm vận chuyển một số kết cấu, vật liệu phục vụ chống

đỡ, hoặc lò mù, không tiếp xúc với mặt đất với mục đích chính là thăm dò khối đá trên nóc hầm Ngoài ra có trường hợp phải đào thêm những khoang, buồng, những hầm phụ để tháo lắp các bộ phận của máy đào hầm TBM, chỗ chuyển tuyến cho xe vận chuyển bằng đường ray v.v

Với đặc thù trên, phương pháp thi công đường hầm có những yêu cầu cá biệt

so với thi công trên mặt đất:

- Công nghệ thi công hầm:

+Kiểm tra địa hình:

Kiểm tra sự phù hợp tuyến đường hầm với tọa độ trên mặt đất phải sử dụng máy đo kinh vĩ, định vị bằng vệ tinh Global Positional System (GPS), thiết bị đo cao độ, vẽ bằng máy tính, hệ thống thông tin địa lý Geographic Information System (GIS), thiết bị kiểm tra dạng Robot

Hình dạng của mặt cắt hầm cũng như tuyến hầm phải kiểm tra để đảm bảo trùng với tuyến đường, hình dạng vỏ hầm phải đảm bảo độ dày

Công tác trắc địa trong quá trình đào theo phương pháp đào khác nhau có quy trình và thiết bị khác nhau như đào từ cửa vào, đào hầm từ một giếng lò bao gồm chuyển tuyến và cao độ từ mặt đất xuống dưới hầm

+Phương pháp thi công:

Những công đoạn khoan, nổ, thông gió, xúc, chuyển, chống đỡ tạm, thi công

vỏ hầm v.vv đều phải tiến hành theo phương pháp tuần tự, hậu quả là thời gian thi công dài Thí dụ thủy điện Hòa Bình, công trình ngầm dài 14.200m, khối lượng đào đất đá ngầm 1.177.000mP

3

P, thi công trên 10 năm (1981-1994)

Đòi hỏi thiết bị chuyên dùng riêng: máy khoan có nhiều mũi, có thể thay đổi cần khoan theo chiều cao, dài, góc, các loại máy đào tùy theo yêu cầu như máy đào dạng khiên khi qua lớp trầm tích dưới đáy sông, máy đào tự cắt và xúc (TBM), máy đào giếng đứng kiểu Robin

- Tổ chức thi công hầm:

Việc liên hệ giữa đường hầm với các đơn vị trên mặt đất chỉ qua 2 cửa hầm, rất khó cho việc tăng thêm thiết bị, tăng thêm người, tăng thêm vật tư vì không gian chật hẹp Muốn tăng tiến độ thi công chỉ có cách mở thêm cửa hầm phụ Ví dụ thủy điện Hòa Bình có đoạn hầm phải mở tới 9 cửa phụ

Hạn chế hoạt động trong hầm do yêu cầu hạn chế khí độc thải ra (số lượng

xe máy, số công nhân trong một ca), tránh ảnh hưởng đến kết cấu công trình đã thi công phần trước hoặc kề bên (khống chế lượng thuốc nổ mìn của quy mô một vụ nổ)

- Ảnh hưởng của điều kiện địa chất, địa chất thủy văn

+Những thách thức về địa chất trong thi công:

Trong thi công hở, các hố khoan thăm dò được tiến hành trực tiếp trên móng công trình, còn thi công ngầm các hố khoan không trực tiếp vào gương đào mà chỉ nằm trên nóc hầm Mọi chỉ tiêu tính toán đều suy từ các nõn khoan trên, nên rất dễ dẫn đến sai lầm

+Kiểm tra địa chất, địa chất thủy văn:

Yêu cầu kiểm tra phải tiến hành trước khi đào, trong khi đào, sau khi xây dựng vỏ hầm

Luôn đối chiếu sự phân lớp phân tầng địa chất, những điểm xuất hiện nước ngầm và những điều thực tế gặp phải trong quá trình đào với các số liệu dự báo của đơn vị địa kỹ thuật để điều chỉnh về thiết kế, về phương pháp thi công

- Khối lượng đào trong thi công công trình ngầm rất lớn: đào thân hầm, hầm giao thông, hầm thông gió, sử lý tiếp cận cửa vào, các giếng thăm dò, sử lý các đứt gãy, khoan phụt gia cố

- Yêu cầu an toàn lao động, vệ sinh môi trường:

Xử lý khi gặp khí độc tự nhiên, khí độc do nổ mìn, do xe máy thi công thải

ra, bụi khi khoan nổ, đá long rời rơi ra

Ở thời kỳ đầu đường hầm chưa được làm vỏ và chủ yếu là các đường hầm ngắn Các đường hầm dài được xây dựng vào nửa cuối thế kỷ XVII khi thuốc nổ ra đời Nhưng cũng phải đến thế kỷ XIX khi khoa học đã phát triển hơn rất nhiều thì xây dựng đường hầm mới phát triển nhanh đặc biệt là ở các nước Châu Âu, trên dãy núi Alps từ Pháp đến Ý có đường hầm Mont Cenis dài 12.849 m Hầm Sinplon dài 19803m Hầm Sin Gotthord nối Thuỵ Sĩ và Italia dài 14.984m Vào thời kỳ này việc gia cố vỏ hầm cũng đã được chú ý đến bằng việc dùng đá xây cho lớp áo đường hầm Song song với việc phát triển của công nghệ đào hầm từ lao động bằng sức người đến đến nổ phá, khoan nổ, từ hầm mặt cắt nhỏ chiều dài ngắn đến đường hầm dài, mặt cắt lớn thì việc gia cố hầm cũng chuyển từ không vỏ sang vỏ đá xây rồi vỏ

bê tông cốt thép Việc dùng kết cấu bê tông cốt thép thay thế đá xây làm vỏ hầm có

ý nghĩa rất lớn trong việc phát triển công nghệ xây dựng đường hầm phục vụ phát triển kinh tế xã hội

Ở Việt Nam trong những năm gần đây hàng loạt các nhà máy thuỷ điện đã và đang được xây dựng Trong các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện thì việc sử dụng các đường hầm thuỷ công để dẫn nước và tháo nước được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt

là với các công trình thuỷ điện

Ngoài thuỷ điện, thuỷ lợi, công trình ngầm còn được dùng trong một số ngành như giao thông, quốc phòng, công nghiệp…

Sau đây là các trạm thuỷ điện đã và đang xây dựng có sử dụng hệ thống đường hầm thuỷ công tương đối lớn là:

Thuỷ điện Hoà Bình trên sông Đà – tỉnh Hoà Bình

Đây là công trình thuỷ điện lớn thứ hai Việt Nam (sau công trình thuỷ điện Sơn La vừa phát điện), hệ thống công trình ngầm bao gồm:

- Nhà máy thuỷ điện ngầm có kích thước lớn, có vỏ bọc bê tông cốt thép (chiều cao 53m ; chiều rộng 22m ; chiều dài 280m)

Đường hầm dẫn nước vào tua bin có đường kính D=8m, đoạn đầu có kết cấu

là vỏ bê tông cốt thép, đoạn vào tua bin có kết cấu bê tông cốt thép bọc vỏ thép

- Hầm xả mặt cắt hình chữ U ngược có đỉnh hầm là nửa đường tròn; R=4,5m; rộng B=9m ; cao H=9,75m ; có lớp áo lót bằng bê tông cốt thép

- Hầm thi công mặt cắt hình chữ nhật có đỉnh hầm là nửa đường tròn R=6m; B=12m ; cao H=11m có lớp áo lót bằng bê tông cốt thép

Công trình thuỷ điện Hoà Bình là công trình thuỷ điện ngầm lớn nhất Đông Nam Á

Thuỷ điện Yali – tỉnh Gia Lai

Đây là công trình thuỷ điện lớn thứ ba ở Việt Nam Hệ thống công trình ngầm bao gồm:

- Gian máy ngầm kể cả sàn lắp ráp có chiều dài 118,5m; cao 55,08m; chiều rộng gian máy là 22m;

- Các đường hầm dẫn nước số 1 và số 2 chạy song song với đường kính thông thuỷ là 7m; tổng chiều dài là 7,6km; Các đường hầm đều có chống đỡ bằng vỏ bê tông cốt thép (chiều dày chống đỡ là 40cm; và 50cm)

- Bể điều áp ngầm: kích thước trên mặt bằng là 55x13m, diện tích mặt cắt đứng là 248,3m2 phần trên của tiết diện là nửa hình tròn, bán kính 6,5m; phần dưới

là hình chữ nhật kích thước 13x14m Toàn bộ hệ thống điều áp có chống đỡ bằng bê tông cốt thép, chiều dày vỏ buồng trên là 50cm; vỏ buồng dưới và giếng nối là 65cm

Thuỷ điện Đại Ninh – tỉnh Lâm Đồng và Bình Thuận:

Đường hầm dẫn nước có đường kính D =4,5m; dài 11.254m

Thuỷ điện Bản Vẽ – tỉnh Nghệ An:

Sử dụng 2 đường hầm dẫn nước có đường kính D = 6,5m, tổng chiều dài

1 290m (mỗi hầm dài 645m)

Thuỷ điện A Vương – tỉnh Quảng Nam:

Đường hầm dẫn nước có đường kính D = 6,2m, tổng chiều dài là 4851m trong

đó đường hầm dẫn nước dài 4365m, đường hầm ngách thi công dài 486m

Thuỷ điện Xêkaman 3

Đường hầm dẫn nước có đường kính 4m, tổng chiều dài 7360m

Thủy điện Hủa Na – tỉnh Nghệ An (đang xây dựng):

Công suất 180MW, đường hầm dẫn nước có đường kính 7,3m, chiều dài 3.826m

Dưới đây là một số hình ảnh về công trình ngầm đã và đang được xây dựng ở Việt Nam:

Hình 1.1: Đường hầm thuỷ điện Buôn Kuốp – tỉnh Đăk Lắc

Hì nh 1.2: Đường hầm thuỷ điện Đại Ninh – tỉnh Lâm Đồng

Hình 1.3: Đường hầm giao thông qua đèo Hải Vân – tỉnh Thừa Thiên Huế

Hình 1.4: Đường hầm thuỷ điện A Vương – tỉnh Quảng Nam

Hình 1.5: Đường hầm thuỷ điện Bản Vẽ – tỉnh Nghệ An

Hình 1.6: Đường hầm thuỷ điện A Lưới – tỉnh Thừa Thiên Huế

Hình 1.7 : Đường hầm thuỷ điện Hủa Na – tỉnh Nghệ An

1.2 Đặc điểm đào đường hầm bằng phương pháp nổ mìn

Thi công đường hầm bằng phương pháp nổ mìn là phương pháp truyền thống Các phần đào theo một trình tự rất chặt chẽ, đào đến đâu tiến hành chống đỡ ngay bằng hệ thống thanh, tấm (gỗ hoặc thép), áp lực đất đá sẽ truyền lên vật chống đỡ, sau đó sẽ thi công vỏ hầm Tùy theo chất lượng đá xung quanh hầm mà tiến hành đào toàn mặt cắt hay đào từng phần rồi mở rộng dần

1.2.1 Phương pháp đào toàn mặt cắt

Toàn mặt cắt ngang của đường hầm cùng tiến hành đào một lần Phương pháp này có thể tăng nhanh tốc độ thi công, thích hợp với những điều kiện sau:

- Đường hầm có kích thước mặt cắt không lớn, trong trường hợp địa chất xấu (nhỏ hơn 16m2)

- Đối với đường hầm có kích thước tương đối lớn thì điều kiện địa chất phải tốt

hiện giải pháp này những đoạn ngắn của trụ đỡ khung thép phải được hàn vào vòm nhằm đơn giản việc nối tiếp trụ đỡ - vòm sau này

1

2.1 2.2 2.3 2.4

Hinh 1.9 Đào mở một phần mặt cắt rồi hạ bậc

1.2.3 Phương pháp đào phân đoạn – NATM

Phương pháp đào hầm mới của Áo (New Austrian Tunneling Method – NATM) hiện nay được dùng nhiều trong thi công hầm ở Việt Nam, đặc biệt trong những vùng xen lẫn địa chất xấu NATM có một quy trình quan sát địa chất chặt chẽ trong quá trình đào, dường như đó là trung tâm của công nghệ này, nhằm đảm bảo kết cấu chống đỡ được dựng lắp là tin tưởng Nhận xét này thường bị bỏ qua Phương pháp này được phát triển cho việc khai thác mỏ tại dãy núi Alpine, ở những

độ sâu khi chi phí khảo sát địa chất từ mặt đất không cho phép và điều kiện đất thường là loại khó đào và khác nhau Kinh nghiệm trước đây đã được đánh giá tốt nhất là kết hợp lựa chọn kích thước hầm dẫn ban đầu và sự tuân thủ một hệ thống chống đỡ để giữ cho hầm ổn định Sau đó quan sát (đo) để xác định những chuyển

vị của đất đá để cần thiết phải bổ sung thêm chống đỡ Nhờ kinh nghiệm và sự tin tưởng ngày càng tăng lên, phương pháp này được áp dụng vào những vùng đất có mức độ khó tăng dần

NATM nhìn chung là phương pháp đào hầm dẫn Hầm dẫn được đào từng đoạn nói chung là ngắn để kịp lắp kết cấu chống đỡ phục vụ cho quá trình mở rộng dần mặt cắt gương hầm Bê tông phun thường được dùng để làm ổn định gương hầm ứng với một lần tiến của chu kỳ đào, và khi cần thiết có thể sử dụng kết cấu tạm thời

Những dầm sắt đan thành lưới thường là một bộ phận kết cấu của NATM Những dầm này gồm 3 hoặc 4 thanh sắt được phủ bê tông cốt thép xếp thành hình tam giác hoặc hình 4 cạnh, phù hợp với hình dáng của chu vi khối đào, và liên kết với nhau thành một bộ phận chế tạo sẵn nhờ những lưới thép đan chéo đường kính nhỏ đặt liên tục Sau khi dựng kết cấu lên những dầm thép này, tiến hành phun bê tông và trở thành một bộ phận tăng cường cho màng chắn ban đầu

Giống như các khung thép, những dầm sắt đan lưới thường được dựng theo từng đoạn theo sự dịch chuyển của khối đào và được neo lại với nhau Do đã được gia cố nên tất cả những ứng suất sinh ra ban đầu không tiếp tục phát triển, điều này càng phù hợp thực tế để đào trong đáy hầm tường bên và tiếp tục đào lên

Những nguyên tắc gia cố đá trong NATM đã có sự tiến bộ về nhận thức trong nghệ thuật thi công hầm

Barton và cộng sự (1980) cung cấp thêm những thông tin về chiều dài neo, khoảng cách tối đa không cần chống và lực chống đỡ nóc hầm nhằm bổ sung vào những kiến nghị chống đỡ được in trong báo cáo đầu tiên 1974

Công thức ước tính chiều dài neo:

L = 2 + 0,15B/ESR

L – chiều dài neo, m

B – Chiều rộng hầm, m

ESR – chỉ số chống đỡ, với hầm thủy điện, ESR = 1,6

Công thức ước tính bề rộng nóc hầm tối đa không cần chống: BR max R=2ESR.QP

1.2.4 Trình tự đào

+ Khoan lỗ mìn

+ Công tác nổ phá

+ Thông gió

+ Dọn và vận chuyển đá trong đường hầm

+ Chống đỡ và thi công vỏ bê tông

1.3 Ảnh hưởng của nổ mìn đến chất lượng khối đá xung quanh

1.3.1 Lý luận cơ bản về nổ phá

Hiện tượng nổ phá là do thuốc nổ bị kích thích (bị đập, gặp tia lửa, nhiệt độ cao) lập tức phát sinh ra phản ứng hóa học, thuốc biến thành khí, đồng thời sinh ra nhiệt độ rất cao 1663 ÷ 4273P

áp suất tăng rất cao (6000 ÷ 8000at) Áp lực lớn đó sinh ra sóng xung kích rất mạnh, phá hoại môi trường xung quanh

Như trên đã nói, hiệu quả nổ mìn chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố, nên việc nghiên cứu tác dụng phá hoại của thuốc nổ trong môi trường là một vấn đề hết sức phức tạp Vì vậy để nghiên cứu dễ dàng ta giả thiết:

Môi trường là đồng đều tức là tác dụng nổ phá gây ra trong môi trường trên mọi phương đều như nhau:

- Môi trường đất đá là vô hạn

- Bao thuốc có dạng hình cầu

Trên cơ sở những giả thiết đó, ta có thể tạm thời phân chia phạm vi môi trường chịu tác dụng của nổ phá ra làm 4 vùng giới hạn bởi 4 mặt cầu có cùng tâm là tâm

nổ Dùng mặt cắt đi qua tâm nổ ta có thể biểu thị tác dụng của nổ phá như hình sau:

1 2 3 4

Hình 1.10 : Sơ đồ tác dụng của nổ phá

1 Vùng nén ép hay nát vụn (vùng gần tâm nổ);

2 Vùng văng đi (vùng trung gian);

3 Vùng long rời (vùng xa tâm nổ);

4 Vùng chấn động

- Trong vùng nén ép (hay nát vụn) đất đá chịu áp lực là nhiệt độ rất cao nên tạo thành lỗ hổng hình cầu có thành vách vững chắc, tất cả các khe nứt riêng biệt đều mất đi Nếu là đá thì sẽ bị nát vụn

- Trong vùng văng đi, năng lượng nổ không những làm cho môi trường bị phá

vỡ mà còn có thể bị văng đi một khoảng cách nhất định nếu gần mặt thoáng (mặt đất tự nhiên, thành vách hố đào v.vv…)

- Trong vùng long rời, năng lượng nổ chỉ có thể tạo thành các hệ thống khe nứt, phá hoại kết cấu của môi trường

Trong vùng chấn động, năng lượng nổ chỉ có thể làm cho các phần tử đất đá bị dịch chuyển mà không phá vỡ được liên kết của chúng

Trong thực tế người ta tổng hợp 3 vùng đầu tiên thành một vùng gọi là vùng phá hoại Bán kính ứng với vùng này gọi là bán kính phá hoại hay bán kính tác dụng nổ phá và được kí hiệu là R Vùng phá hoại hay R là một chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả nổ phá Vùng chấn động có ý nghĩa trong việc đánh giá tác dụng của địa chấn do nổ mìn gây ra đối với khối đất đá hoặc các công trình xung quanh Mặt khác cũng nên hiểu rằng sự phân chia ở trên chỉ là khái niệm để giải thích tác dụng của nổ phá, giữa các vùng đó không có một ranh giới rõ rệt

1.3.2 Tác dụng của mặt thoáng đối với nổ phá – sự hình thành phễu nổ 1.3.2.1 Tác dụng của mặt thoáng đối với nổ phá

Trong trường hợp môi trường là bán vô hạn (có nghĩa là gần nguồn nổ có một mặt thoáng nào đó) thì hiện tượng phá hoại đất đá có khác với những điều đã trình bày ở trên Sóng nén đi đến mặt thoáng được phản xạ lại Thực chất của sóng phản

xạ là sự giãn nở của đất đá được lan truyền từ mặt thoáng trở lại Ứng suất kéo do sóng phản xạ gây ra có trị số tuyệt đối nhỏ hơn ứng suất nén do sóng nén gây ra một

ít Sức chịu kéo của đất đá so với sức chịu nén lại nhỏ hơn nhiều Vì vậy sóng phản

xạ có tác dụng phá vỡ đất đá mạnh hơn nhiều so với sóng nén Qua đây ta thấy mặt thoáng có tác dụng nâng cao hiệu quả đập vỡ đất đá của nổ mìn lên rất nhiều thông qua tác dụng của sóng phản xạ và chính vì vậy mà người ta hết sức chú ý tạo được nhiều mặt thoáng khi bố trí nổ mìn Sự phá hoại của đất đá khi nổ mìn có một mặt thoáng được mô tả như hình sau:

Hình 1.11 Sơ đồ các vùng phá hoại của đất đá khi nổ có một mặt thoáng

1 Các khe nứt do sóng phản xạ gây ra;

2 Vùng phá hoại ở gần mặt thoáng dưới tác dụng của sóng phản xạ

1.3.2.2 Sự hình thành phễu nổ

Khi khoảng cách từ tâm nổ đến mặt thoáng nhỏ hơn bán kính phá hoại R, một phần đất đá bị phá hoại do sự hình thành các khe nứt đã nói ở trên sẽ được chuyển động về phía mặt thoáng Phương vận tốc chuyển động của đất đá tại một điểm nào

đó trùng với bán kính R đi qua điểm đó Năng lượng mà các chất khí nổ tàng trữ lại thường vào khoảng 50% tổng năng lượng của nổ phá và một phần được biến thành động năng của đất đá Trường hợp đất đá có vận tốc chuyển động lớn thì chúng sẽ văng đi xa và hình thành phễu nổ

Phễu nổ là một khái niệm quan trọng để xem xét tác dụng của nổ phá Các đặc trưng của phễu nổ gồm:

- Đường cản ngắn nhất W: là khoảng cách ngắn nhất từ tâm khối thuốc nổ đến mặt thoáng

- Bán kính phá hoại R: là khoảng cách từ tâm khối thuốc nổ đến mép phễu

nổ mìn

- Bán kính phễu nổ r

- Độ sâu nhìn thấy h: là độ sâu thực tế của phễu sau khi đất đá đã nổ ra rơi trở lại và lấp một phần

Khi tính toán lượng thuốc nổ người ta coi như đất đá chỉ bị phá hoại trong phạm vi của hình nón lật ngược có đỉnh là tâm khối thuốc nổ

1

2

Hình 1.12 Sơ đồ phễu nổ

W – đường cản lớn nhất; R – bán kính phá hoại;

r – bán kính phễu nổ; h – độ sâu nhìn thấy;

1 Đất đá rơi trở lại sau khi nổ;

2 Phạm vi phá hoại theo giả thiết

Ngoài ra từ r và W người ta đưa ra một thông số rất quan trọng trong tính toán,

đó là tỉ số r/W Tỉ số này được gọi là chỉ số tác dụng nổ phá và ký hiệu là n:

W

r

Khi n > 1 người ta gọi là nổ mìn văng mạnh Phễu nổ trong trường hợp này gọi

là phễu nổ văng mạnh và khối thuốc nổ tương ứng được gọi là bao thuốc nổ mạnh Khi n = 1 có nổ mìn văng tiêu chuẩn Phễu nổ lúc này được gọi là phễu nổ tiêu chuẩn và khối thuốc nổ là bao thuốc tiêu chuẩn

Khi 0,75 < n < 1 là nổ mìn văng yếu Phễu nổ là phễu phễu nổ văng yếu và khối thuốc là bao thuốc văng yếu

Khi n ≤ 0,75, tuy đất đá được đập vỡ nhưng không bị văng đi, mặt đất chỉ bị lồi lên chứ không hình thành phễu nổ Khối thuốc lúc này gọi là bao thuốc nổ om

Về phương pháp nổ mìn còn chia ra:

1.4 Kết luận

Trong chương này tác giả đã trình bày tổng quan về thi công đường hầm bằng phương pháp nổ mìn Bên cạnh rất nhiều ưu điểm như rút ngắn thời gian thi công, giảm bớt khối lượng công việc nặng nhọc cho người và máy móc , thì nhược điểm

là gây biến dạng cho đất đá ở xung quanh, sóng do nổ mìn có thể sẽ gây ra ảnh hưởng phá hoại tới môi trường và các công trình lân cận Để tìm hiểu sâu hơn khi thi công công trình ngầm bằng phương pháp nổ mìn, sẽ được giới thiệu ở chương sau

2.1.2 Sóng nổ xung kích theo quan điểm thủy khí động học

Nổ là một phản ứng hóa học, có kết quả trong một khoảng thời gian rất ngắn, tạo ra một năng lượng lớn và hình thành một vùng áp lực nhiệt độ cao Trong trường hợp tổng quát thì sự phân bố áp lực và nhiệt độ trên mặt giới hạn những thành phẩm nổ và môi trường bao quanh ở thời điểm ban đầu là hoàn toàn bất kỳ, vì đặc điểm của phản ứng nổ không phụ thuộc vào các tính chất của môi trường bao quanh Khi năng lượng nổ truyền ra môi trường bao quanh sẽ xuất hiện những mặt, trên những mặt này có có các yếu tố thủy động (áp lực, mật độ, vận tốc) hoặc đạo hàm của chúng theo thời gian và không gian bị gián đoạn Nếu bản thân các yếu tố này bị gián đoạn thì ta có những mặt gián đoạn mạnh Còn nếu đạo hàm của chúng gián đoạn thì ta có những mặt gián đoạn yếu Nếu áp lực và thành phần pháp tuyến véc tơ vận tốc bị gián đoạn thì gián đoạn mạnh gọi là không dừng hay gọi là đầu sóng xung kích Nếu chỉ có mật độ và nhiệt độ bị gián đoạn thì mặt gián đoạn này gọi là sóng dừng Nhiệm vụ chủ yếu của lý thuyết nổ là nghiên cứu chuyển động không dừng của chất lỏng (theo nghĩa rộng) ở khoảng giữa hai mặt biên là mặt đầu sóng và mặt gián đoạn mạnh Hình 2.1 trình bày sơ đồ nổ trên không và chuyển động của các mặt gián đoạn

Khu vực bao quanh A và nằm trong mặt α là vùng các thành phẩm nổ (khu vực 1) Trong khu vực 1 này môi trường thường ở trạng thái bị phá hủy hoàn toàn,

áp lực lớn và nhiệt độ cao Khu vực 2 là vùng môi trường đã bị kích động và các hạt

đang ở trạng thái chuyển động không dừng Khu vực này giới hạn bởi mặt đầu sóng xung kích β Khu vực 3 là vùng còn ở trạng thái tĩnh, chưa bị kích động

1 2

3

A Pds

Hình 2 1: Sơ đồ nổ trên không và các mặt gián đoạn

A: Trung tâm nổ

α: Mặt gián đoạn mạnh

β: Đầu sóng (gián đoạn mạnh không dừng)

Khu vực 1: Vùng các thành phẩm nổ

Khu vực 2: Vùng môi trường bị kích động

Khu vực 3: Vùng môi trường chưa bị kích động

∆Pds: Áp lực thặng dư tại đầu sóng

Đối với các công trình xây dựng ở gần khu vực nổ mìn, sóng xung kích do nổ mìn gây ra có tác dụng rất quan trọng Trong môi trường có sóng xung kích bao giờ cũng hình thành một vùng chịu nén với áp lực rất lớn, chuyển động trong không gian với tốc độ siêu âm và không phụ thuộc vào các loại môi trường và loại thuốc nổ Khi sóng xung kích qua một điểm nào đó trong không gian thì áp lực, mật độ

và các yếu tố thủy động khác tăng lên đột ngột Những đại lượng này sau đó sẽ thay đổi dần dần, và sau một khoảng thời gian nhất định thì áp lực và mật độ tại điểm nói trên trở nên nhỏ hơn các trị số tương ứng tại vùng chưa bị kích động

Tính chất định tính của sự thay đổi áp lực tại sóng xung kích có thể biểu diễn như (hình 2.2)

t: Thời gian tác dụng của áp lực thặng dư

S: Sung lực toàn phần của áp lực tại thời điểm đang xét

λ: Chiều dài của vùng nén (bước sóng xung kích)

Biểu đồ của sóng xong kích gồm các vùng áp lực thặng dư dương (vùng nén)

và âm (vùng nở) Chiều dài vùng nén thường được gọi là bước sóng xung kích λ Thời gian tác dụng của áp lực thặng dư gọi là chu kỳ của sóng được ký hiệu là t Trong các vụ nổ với khối lượng chất nổ lớn thì áp lực của sóng nổ sẽ càng nhiều chu kỳ tắt nhanh với những đợt nén, nở nối tiếp nhau (hình 2-3) Trong tính toán thường ta chỉ chú ý đến 2 đợt nén nở đầu tiên vì biên độ áp lực vùng này lớn hơn các vùng sau rất nhiều

: Thời gian tác dụng của vùng nở

Tuy thời gian tác dụng của vùng nở dài hơn nhiều so với thời gian tác dụng của vùng nén (tP

) Cho nên nói chung áp lực nén gây tác hại nhiều hơn cả

Càng xa trung tâm nổ thì áp lực tại đầu sóng càng giảm Tại các vùng rất xa thì sóng xung kích chuyển thành sóng truyền âm

2.1.3 Sự hình thành sóng nổ địa chấn theo quan điểm lý thuyết đàn hồi

Để nghiên cứu vấn đề này ta giả thiết rằng môi trường nổ phá là hoàn toàn đàn hồi, liên tục, bao gồm các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường mỗi phần tử ở vị trí cân bằng bền Khi nổ phá bao thuốc, năng lượng của thuốc nổ truyền ra môi trường xung quanh Lúc đầu, phần tử A cạnh bao thuốc tiếp nhận một phần năng lượng của bao thuốc dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng Vì các phần tử liên kết chặt chẽ với nhau nên phần tử B (cạnh phần tử A) một mặt kéo phần tử A về vị trí cân bằng, nhưng do quán tính, phần tử A lại chuyển động quá vị trí cân bằng và rồi lại được kéo lên nhờ lực liên kết … Kết quả là phần tử A dao động quanh vị trí cân bằng Mặt khác, bản thân phần tử B cũng bị năng lượng thuốc nổ kích động và

do đó phần tử B cũng dao động Hiện tượng vẫn tiếp tục xảy ra với các phần tử tiếp

tục tạo thành những dao động lan truyền trong môi trường Những dao động lan truyền trong môi trường đàn hồi do tác động của năng lượng thuốc nổ gọi là sóng nổ Càng xa trung tâm nổ, năng lượng thuốc nổ càng giảm (do mất dần năng lượng

để tạo dao động), do đó càng truyền xa biên độ sóng càng giảm

Vì giữa các phần tử của môi trường tồn tại ma sát nên dao động của mỗi phần

tử là dao động tắt dần theo thời gian Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa và sự tắt dần theo thời gian của dao động của mỗi phần tử được biểu diễn ở hình 1-4 Trong đó: X: Độ dời của phần tử giao động;

Hình 2 4b: Sự yếu dần của sóng khi lan truyền ra xa

Người ta gọi bao thuốc nổ gây kích động là nguồn sóng, phương truyền sóng

là tia sóng Không gian mà sóng truyền qua gọi là trường sóng

2.2 Sóng xung kích và sóng phản xạ do nổ mìn gây ra

Trên bề mặt ranh giới giữa thuốc nổ và đất đá, sóng xung kích chuyển thành sóng đập với biên độ lớn Sóng đập nghiền nát đất đá rất mạnh trong điều kiện nén các phía không đều đặn Càng xa khối thuốc nổ thì biên độ đập càng giảm, và đến

một giới hạn nào đó thì sóng đập chuyển thành sóng chấn động Tốc độ lan truyền của sóng chấn động nhỏ hơn tốc độ của sóng đập và bằng tốc độ truyền âm trong môi trường đất đá Ứng suất trên mặt sóng nổ cao hơn nhiều biên độ bền của đất đá

về nén, do đó khi có sóng nổ truyền qua đất đá sẽ bị phá vỡ Khi nằm trong phạm vi cần nổ phá thì sóng chấn động có tác dụng tích cực, song khi vượt quá phạm vi cần

nổ phá thì nó có tác động ngược lại làm cho kết cấu của đất đá ở đáy và thành vách

hố móng công trình bị phá vỡ, gây ảnh hưởng xấu đến công trình và các công trình lân cận khu vực nổ

Trong thực tế khi thi công hầm bằng phương pháp nổ mìn, ta thường gặp các trường hợp yêu cầu cần giải quyết là:

Khi nổ gần một công trình một lượng thuốc nổ Q yêu cầu tính toán độ an toàn

về ổn định của công trình dưới tác dụng của sóng xung kích trong không khí hoặc với kích thước cấu tạo đã biết trước của công trình cần xác định lượng thuốc nổ cho phép [Q] và nổ cách công trình một khoảng cho trước; hoặc với lượng thuốc nổ Q

đã biết, cần tính toán chọn kích thước và cấu tạo của tường chắn bảo vệ cho công trình nào đó…

2.3 Tác dụng phá hoại của sóng xung kích đến môi trường đá xung quanh

Trong quá trình nổ dưới mặt đất khi sóng truyền tới mặt thoáng của đất, sóng

nổ được đặc trưng bằng ba mặt gián đoạn:

- Sóng xung kích (hay sóng tới)

- Mặt gián đoạn mạnh – dừng (sóng phản xạ)

- Mặt gián đoạn yếu (sóng khúc xạ)

Áp lực ở đầu sóng xung kích khoảng vài chục atmôtphe Dưới tác dụng của tải trọng lớn như vậy đất (đá) có tính chất giống như chất khí (theo nghĩa rộng) Điểm khác nhau là sau khi tải trọng đã giảm thì chất khí trở lại nguyên trạng thái ban đầu, còn đất sẽ bị phá hoại hoặc là chịu những biến dạng dẻo còn dư rất lớn

Phần lớn năng lượng nổ hao tán vào việc phá hủy, nén chặt đất cà không hoàn lại Vì vậy áp lực tại đầu sóng giảm đi rất nhanh, ở khoảng cách bằng 2-3 lần bán kính RR 03 Ráp lực chỉ còn vài ngàn atmôtphe

Lúc này bắt đầu diễn biến những thay đổi định lượng của quá trình kích động sóng Vì dưới tác dụng của những ứng suất lớn tốc độ truyền sóng nén có biên độ cao sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền âm (khác với chất lỏng lý tưởng không có tính nhớt và không chịu nén) Do đó biểu đồ áp lực ở vùng nén sẽ biến dạng, đất (đá) ở đầu sóng

bị phá hủy, thay vào đó áp lực lại bắt đầu tăng dần Vùng ứng suất lớn nhất sẽ tiến chậm hơn sóng tải trọng

1 3

2

3 2

Hình 2.5 Minh họa sóng cầu và sóng phẳng

1 Nguồn sóng; 2 Mặt sóng; 3 Tia sóng

Đặc trưng cho sự lan truyền sóng là vận tốc là vận tốc lan truyền sóng, chu kỳ

và tần số của sóng lan truyền

- Vận tốc lan truyền sóng

Vận tốc lan truyền sóng là quãng đường mà sóng truyền được sau mỗi đơn vị thời gian Trong lý thuyết đàn hồi người ta đã chứng minh được vận tốc lan truyền sóng như sau:

E Suất đàn hồi của môi trường;

ρ: Khối lượng riêng của môi trường;

- Chu kỳ và tần số

Chu kỳ T và tần số f của sóng nổ là chu kỳ và tần số dao động của các phần tử môi trường:

2 2 0

72 , 6 2

βωω

m: Khối lượng tổng cộng của các phần tử

r: Hệ số cản của môi trường

Người ta đã thiết lập được phương trình vi phân của dao động tắt dần như sau:

2

=+

dt

dx dt

x d

βt

P Nghĩa là đồ thị x theo thời gian là đường cong nội tiếp giữa hai đường cong

x = a e Cos( t+ )0 t

0 t

a0 t

X

t

Hình 2.6 Đồ thị biên độ của sóng nổ theo thời gian

Xét sự nổ của bao thuốc nằm rất sâu trong đất đá khi nổ phá bao thuốc thì, môi trường xung quanh được chia làm bốn vùng như sau:

RR0.3R: Bán kính tương đương của bao thuốc;

KRNR: Hệ số phụ thuộc vào loại đất đá (xem bảng 2-1)

3 4

Hình 2.7 Các vùng ảnh hưởng khi nổ mìn

1 – Vùng gần tâm nổ (vùng biến dạng lớn);

2 – Vùng trung gian (vùng biến dạng đàn – dẻo);

3 – Vùng xa tâm nổ (vùng biến dạng đàn hồi);

4 – Vùng tĩnh (vùng chưa bị kích động)

2.3.2 Phá vỡ đất đá

2.3.2.1 Phá vỡ đất đá đồng chất

Như chúng ta đã biết, tốc độ kích nổ lớn rất nhiều so với tốc độ lan truyền sóng ứng suất trong đất đá Vì vậy bề mặt đất đá tiếp thu tác động nổ đồng thời trên toàn bộ diện tích tiếp xúc lượng thuốc nổ đối với đất đá

Trên bề mặt ranh giới giữa lượng thuốc nổ và đất đá sóng kích nổ có biên độ rất lớn Sóng đập nghiền nát đất đá rất mạnh trong điều kiện nén các phía không đều đặn Càng xa lượng thuốc nổ thì biên độ sóng đập càng giảm Tại những điểm của môi trường cách lượng thuốc nổ khoảng 5÷6 lần bán kính lượng thuốc nổ thì sóng đập chuyển thành sóng đàn hồi Tốc độ lan truyền của sóng đàn hồi nhỏ hơn tốc độ lan truyền của sóng đập và bằng tốc độ âm trong môi trường đất đá Ứng suất trên mặt sóng nổ cao hơn nhiều so với độ bền của đất đá về nén, do đó sau khi sóng truyền nổ qua đất đá, kết cấu ban đầu của nó bị phá vỡ Vùng này được đặc trưng là vùng tác dụng dẻo khi nổ Nó thường giới hạn trong khoảng 10÷12 lần bán kính lượng thuốc Trong vùng này, sau khi sóng nổ truyền qua, khí nổ với áp lực cực cao lớn (20÷70).10P

8

P N/mP

2

Pgây ra tác dụng phá vỡ đất đá rất mạnh

1

Hình 2.8 Sơ đồ phá vỡ đất đá đồng chất xung quanh lượng thuốc nổ

1 Tâm lượng thuốc nổ;

a Vùng nghiền nát

b Vùng tạo thành nứt nẻ

Dưới tác dụng của sóng và khí nổ, đất đá gần lượng thuốc nổ bị nén ép và chuyển dịch nhanh sau mặt thoáng ứng suất Do đó tạo thành vùng biến dạng mạnh với hệ thống nhiều nứt nẻ cắt nhau

Càng xa lượng thuốc nổ thì ứng suất trên mặt sóng nổ càng giảm và ở khoảng cách nhất định nó nhỏ hơn sức kháng nén của đất đá, khi đó đặc tính biến dạng và phá vỡ môi trường thay đổi

Dưới tác dụng của sóng ứng suất và khí nổ (lan truyền từ lượng thuốc nổ) theo đường hướng tâm phát sinh ứng suất nén vả theo hướng tiếp tuyến phát sinh ứng suất kéo, do đó trong đất đá xuất hiện những nứt nẻ hướng tâm

- Giai đoạn 1

Sóng kích nổ (v = 4-6km/s) truyền đến bề mặt tiếp xúc giữa thuốc nổ với đất

đá, sau đó chuyển thành sóng đập (v = 3÷5km/s) Ứng suất trên mặt sóng vượt quá giới hạn bền nén của đất đá

Sóng đập phá vỡ đất đá thành những phần tử kích thước nhỏ Tại thời điểm mà tốc độ lan truyền của sóng đập bằng tốc độ của sóng dọc

) 2 1 )(

1 (

) 1 (

µ

− +

- Giai đoạn 2

Buồng nổ chứa đầy sản phẩm nổ và vùng đất đá bị đập nhỏ được mở rộng, áp lực khí trong buồng nổ chuyển qua đất đá bị đập vỡ thành mặt trước của sóng đàn hồi Trong quá trình lan truyền sóng đàn hồi, ứng suất bị giảm dần Tại thời điểm

khi biên độ mặt trước sóng đàn hồ giảm bằng trị số bền động lực của đất đá thì bắt đầu giai đoạn 3

- Giai đoạn 3

Hình thành một số vùng biến dạng và phá vỡ đất đá vùng đập nhỏ đất đá do tác dụng của sản phẩm nổ, vùng nứt nẻ hướng tâm, vùng biến dạng đàn hồi

Ở giai đoạn 3 người ta quan sát được mặt trước của sóng đàn hồi, mặt tạo thành nứt nẻ hướng tâm và mặt nghiền nhỏ đất đá Cuối giai đoạn 3, trong vùng lân cận thuốc phát sinh trạng thái ứng suất biến dạng cân bằng và từ đó đàn hồi phát sinh sóng chấn động biên độ cực đại của nó thay đổi theo quy luật”

r

nd n

σ

σ = ; σR α R = σR0R = 0

E

r r

rR 0 R – Bán kính ngoài cùng của đất nứt nẻ hướng tâm

Nếu r = rR 0 Rthì quan hệ giữa rR 0 R và rR 2 Rcó dạng:

k nd k

nd

r r

r

σ

σσ

σ

2 2

σ22

1 0

về phía trung tâm lượng thuốc và xuất hiện ứng suất kéo hướng tâm Do ảnh hưởng của ứng suất này mà phát sinh nứt nẻ vòng quanh buồng nổ

Khi đó, do không bị ngăn cản và dưới tác dụng của sóng ứng suất, các phần tử đất đá ở gần bề mặt tự do được dịch chuyển tự do về phía bề mặt đó và kéo theo tất

cả các phần tử bề mặt tham gia vào sự chuyển động này Khi đó bắt đầu lan truyền sóng phản xạ theo đất đá Trên mặt sóng phản xạ phát sinh ứng suất kéo Như vậy sóng phản xạ là sóng nén được phản xạ từ bề mặt tự do và được lan truyền như từ lượng thuốc nổ ảo

vỡ do sóng phản xạ với sự tạo thành nứt nẻ tiếp tuyến và phễu vỡ bề mặt Toàn bộ thể tích đất đá trong phễu nổ bị đập vỡ lan truyền từ bề mặt vào sau trong khối đá cộng với sự phá vỡ xảy ra xung quanh lượng thuốc

Giáo sư Khanukaieb đã tìm ra các thông số của sóng ứng suất lan truyền trong đất đá khi nổ bằng cách sau

Hình 2.10 : Sơ đồ xác định các thông số của sóng ứng suất

trong đất đá khi nổ lượng thuốc

n n C p C p

C p k

.

2 +