Nghiên cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Thanh Quang
LỜI CẢM ƠN
1
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các thầy giáo
hướng dẫn là GS.TS. Đỗ Như Tráng và PGS.TS. Nguyễn Quốc Bảo đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và đề xuất nhiều ý tưởng khoa học có giá trị giúp cho
tác giả hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin trân trọng sự động viên,
khuyến khích và những kiến thức khoa học mà các thầy giáo đã chia sẻ cho
tác giả trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực khoa học và
củng cố lòng yêu nghề.
Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp, những nhận xét
hết sức quý báu chân tình của các thầy giáo, các nhà khoa học giúp tác giả
hoàn thành được bản luận án của mình.
Tác giả trân trọng cảm ơn Trung tâm Tư vấn Khảo sát thiết kế công
trình Quốc phòng-BTL Công binh, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Phòng
Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và giúp
đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Cuối cùng tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân
trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thông cảm, động viên và chia sẻ khó
khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án.
Tác giả
Nguyễn Thanh Quang
2
MỤC LỤC
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

[]
Kí hiệu ma trận
{ }
Kí hiệu véc tơ
a,b,c
Hệ số của đa thức bậc nhất
B
Khâu độ công trình
BTG
Bước thời gian
c
Lực dính kết trên bề mặt tiếp xúc
[C]
Ma trận cản nhớt
{ }
D
Véc tơ thành phần biến dạng
ij
D
Véc tơ biến dạng của khối thứ i
d
Khoảng cách xuyên
d
1i
,…d
6i
Các thành phần của véc tơ biến dạng d của khối thứ i
det(
[A]
)

Định thức của ma trận A
§HTT
Đàn hồi tuyến tính
E
Mô đun đàn hồi
{ }
F
Véc tơ tải trọng
i
F
Véc tơ tải trọng của khối thứ i
x y
F ,F
Tải trọng tập trung tác dụng theo phương x,y
x y
F (t),F (t)
Tải trọng phân bố tác dụng theo phương x,y
f
Hệ số Protod’jakonov
x
f ,
y
f
Lực quán tính tác dụng theo phương x,y
G
Mô đun trượt của vật liệu
g
Gia tốc trọng trường
H
Chiều sâu đặt công trình

J
Định thức Jacobi
4
[K]
Ma trận độ cứng tổng thể
ij
K
Ma trận thành phần của ma trận độ cứng tổng thể
l
Chiều dài cạnh tham chiếu
M
Khối lượng trên đơn vị diện tích
i
P
Đỉnh của khối (đa giác) thứ i
p, k
n
Độ cứng lò xo pháp tuyến penalty
k
s
Độ cứng lò xo tiếp tuyến penalty
[T ]
i
Ma trận chuyển hệ tọa độ
u, v
Chuyển vị thẳng tương ứng theo phương x, y
u
o
, v
o

Chuyển vị thẳng tương ứng theo phương x, y tại trọng tâm
khối
v
1
, v
o
Vận tốc khối tại thời điểm trước và sau của khối
r
o
Góc xoay của khối tại trọng tâm (x
o
,y
o
)
x, y
Tọa độ tại điểm xét
x
o
, y
o
Tọa độ tại điểm cố định của khối thường lấy là điểm
trọng tâm
S
Diện tích của khối
Π
Thế năng toàn phần của khối
e
Π
Năng lượng biến dạng của khối
σ

Π
Thế năng của ứng suất ban đầu
p
Π
Thế năng của tải trọng tập trung
l
Π
Thế năng của tải trọng phân bố
w
Π
Thế năng của lực khối
v
Π
Thế năng của lực cản nhớt
i
Π
Thế năng của lực quán tính
c
Π
Thế năng của lò xo liên kết
δ
Độ mở rộng khe nứt (phân lớp)
5
x
,ε
y
ε
Biến dạng thẳng của khối theo phương x, y
ϕ
Góc ma sát trên bề mặt tiếp xúc

γ
Trọng lượng thể tích
xy
γ
Biến dạng góc của khối
ij
η
Khoảng cách giữa hai khối i và j
υ
Hệ số Poisson
θ
Góc giữa mặt phân lớp với mặt phẳng ngang
ρ
Chuyển dịch lớn nhất trong bước thời gian tính toán
x
,σ
y
σ
Ứng suất của khối theo phương x, y
xy
τ
Ứng suất của khối
∆
Định thức
∆t, t
Bước thời gian tính toán, tham số phương trình đường thẳng
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

8
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Với những đặc điểm của mình, công trình ngầm ngày càng thể hiện vai
trò quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội như giao thông vận tải, khai thác
khoáng sản, thuỷ điện…, đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng, các đường hầm
được xây dựng để làm sở chỉ huy, công trình ẩn nấp - chiến đấu, cất giấu các
loại vũ khí, trang bị kỹ thuật, các kho hậu cần, quân y Với đặc thù điều kiện
địa chất địa hình như ở nước ta hiện nay, việc xây dựng các công trình ngầm
trong núi đá chiếm một tỷ trọng tương đối lớn trong tổng số các công trình
ngầm đã và sẽ được xây dựng. Bên cạnh đó với nguồn hang động tự nhiên vô
cùng phong phú như ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu tận dụng khai thác
các hang động tự nhiên phục vụ cho mục đích quân sự là việc làm hết sức cần
thiết. Nứt nẻ là một trong những đặc tính điển hình của khối đá, nó xuất hiện
trong cả ba loại đá: đá magma, đá trầm tích và đá biến chất, do nhiều nguyên
nhân khác nhau (tự nhiên, kiến tạo, phong hóa, trượt…). Theo [5], trong cơ
học đá, nứt nẻ là một khái niệm rất rộng. Nó bao gồm những kiến tạo cục bộ
kéo dài hàng ki lô mét hay vài mét và cả những vi khe nứt chỉ được nhìn thấy
dưới kính hiển vi. Các khe nứt cắt nhau chằng chịt trong không gian làm khối
đá bị phân cắt thành những tảng riêng biệt. Cũng do đặc tính tự nhiên này mà
các mẫu đá thu được hoặc các số liệu thống kê không mang tính đại diện cho
cả khu vực dự định nghiên cứu hay xây dựng công trình. Một trong những
vấn đề đặt ra cho việc xây dựng công trình ngầm trong đá là nghiên cứu, đánh
giá, phân tích ổn định các khoảng trống ngầm, không gian ngầm nhằm có
được thiết kế hợp lý về kết cấu chống đỡ, kết cấu công trình và biện pháp thi
công. Để nghiên cứu vấn đề này cũng như trong cơ học đá nói chung, người
ta sử dụng ba nhóm phương pháp chính [4], [5]: phương pháp đo đạc, quan
9
sát trong điều kiện tự nhiên (phương pháp thực nghiệm); phương pháp mô
hình (phương pháp thí nghiệm) và phương pháp lý thuyết.

Để khắc phục những khó khăn của các lời giải giải tích cũng như phương
pháp thực nghiệm và thí nghiệm, về mặt lý thuyết các nhà nghiên cứu đã sử
dụng nhiều phương pháp số khác nhau để phân tích. Trong môi trường đá nứt
nẻ, miền phân tích là một miền vật liệu gồm các khối (phần tử) rời rạc, riêng
rẽ, có chuyển vị tương đối với nhau. Do đó, trạng thái ứng suất và biến dạng
là không liên tục, vì vậy quan niệm toàn bộ đá nứt nẻ là môi trường liên tục sẽ
không thích hợp. Để giải quyết vấn đề này, trong những năm gần đây đã xuất
hiện các phương pháp mới như phương pháp phần tử rời rạc DEM (Distinct
Element Method), phương pháp phân tích biến dạng không liên tục DDA
(Discontinuous Deformation Analysis). Các phương pháp này nghiên cứu
phân tích tính không liên tục của môi trường.
Trong hai phương pháp trên, với quan niệm phần tử nghiên cứu có đặc
điểm biến dạng đàn hồi thì phương pháp DDA có kể đến tính biến dạng của
phần tử, còn đối với phương pháp DEM do quan niệm phần tử là vật rắn tuyệt
đối nên không xét đến ảnh hưởng của biến dạng đến chuyển dịch của phần tử.
Phân tích biến dạng không liên tục được sử dụng để phân tích lực
tương tác và chuyển dịch khi các khối tiếp xúc với nhau. Đối với mỗi khối,
cho phép xác định các chuyển dịch, biến dạng ở mỗi bước thời gian; đối với
toàn bộ hệ các khối thì cho phép mô phỏng quá trình tiếp xúc, tương tác giữa
các khối.
Với các lí do trên, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn là “Nghiên
cứu sự ổn định khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ bằng phương
pháp Phân tích biến dạng không liên tục”.
10
Trong luận án khái niệm “khoang hầm” (hay còn gọi là công trình ngầm
không chống) là khoảng không gian ngầm được tạo ra sau khi thi công công
trình ngầm mà chưa bố trí hệ thống kết cấu chống đỡ hay kết cấu chịu lực
chính của công trình. Theo [4], trong địa cơ học “ổn định công trình ngầm”
mang tính tổng quát và được hiểu là việc đánh giá mức độ ổn định của cả hệ
thống “khối đá-kết cấu chống giữ”; còn cụm từ “ổn định khoang hầm” được

hiểu là khả năng của các khối đá bảo toàn được hình dạng, kích thước của
mình theo các yêu cầu địa cơ học và yêu cầu sử dụng. Luận án sử dụng
phương pháp đánh giá chuyển dịch (biến dạng) trên biên khoang hầm để
nghiên cứu ổn định nên khái niệm “ổn định khoang hầm” ở đây được hiểu là
giới hạn cho phép chuyển dịch của các điểm trên biên khoang hầm.
2. Mục đích, nội dung, phương pháp, phạm vi nghiên cứu của luận án
• Mục đích của luận án
Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình để xác định các trường
chuyển dịch, ứng suất và biến dạng của khối đá theo thời gian xung quanh
khoang hầm trong môi trường biến dạng không liên tục. Thông qua các nghiên
cứu lý thuyết và các thử nghiệm số trên máy tính, phân tích ảnh hưởng của
trạng thái nứt nẻ khối đá đến tính ổn định của khoang hầm.
• Nội dung nghiên cứu của luận án
Nội dung của luận án bao gồm:
1. Tìm hiểu và sử dụng phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục
DDA.
2. Xây dựng mô hình tính và thuật toán cùng việc thiết lập chương trình
tính toán chuyển dịch, biến dạng và ứng suất theo DDA.
11
3. Tiến hành một số tính toán, thử nghiệm số phân tích chuyển dịch của
khối đá nứt nẻ xung quanh khoang hầm và sự tiếp xúc, tương tác giữa công
trình ngầm với môi trường đá nứt nẻ.
• Phương pháp nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số trên máy tính.
• Phạm vi nghiên cứu của luận án
Xét mô hình tính là các bài toán phẳng trong môi trường không liên
tục. “Môi trường đá nứt nẻ” được giới hạn nghiên cứu là các khối đá rời rạc,
riêng rẽ, không chứa nước ngầm. Giữa các khối đá không tồn tại lực dính, lực
ma sát. Không xét đến ứng suất ban đầu do thi công trong các bài toán ổn
định. Trong quá trình chuyển động các khối không được đứt gãy. Hình dạng

và kích thước các khối được xấp xỉ bằng các đa giác nhiều đỉnh và vật liệu
được giả thiết là đẳng hướng trong phạm vi từng khối.
3. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết
luận, cuối cùng là tài liệu tham khảo và phụ lục.
Phần mở đầu nêu lên tính cấp thiết của đề tài luận án, mục đích, nội
dung, phạm vi, phương pháp nghiên cứu của luận án.
Chương I Tổng quan
Nội dung: Giới thiệu tổng quan về ổn định công trình ngầm trong môi
trường đá nứt nẻ và các phương pháp nghiên cứu.
Chương II Giới thiệu phương pháp Phân tích biến dạng không liên tục
DDA.
12
Nội dung: Giới thiệu cách phân tích trạng thái chuyển dịch, biến dạng và
ứng suất; quá trình tiếp xúc và tương tác giữa các khối trong phương pháp
DDA của giáo sư Shi Genhua [24], [25].
Chương III Xây dựng mô hình tính, thuật toán và chương trình tính.
Nội dung: Trình bày mô hình tính toán, thuật toán của chương trình, các
tham số điều khiển liên quan tới chương trình. Một số các thử nghiệm số để
đánh giá độ tin cậy của chương trình.
Chương IV Phân tích sự ổn định của khoang hầm trong môi trường đá
nứt nẻ.
Nội dung: Trên cơ sở chương trình đã lập, thử nghiệm tính cho một số
trường hợp về khoang hầm dạng tròn trong môi trường đá nứt nẻ, phân lớp.
Từ kết quả tính toán nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển vị trên biên của
khoang hầm nằm ngang với một số đặc điểm khe nứt. Đồng thời tiến hành thử
nghiệm số xác định tương tác kết cấu-môi trường đá nứt nẻ.
Phần kết luận nêu lên các đóng góp mới của luận án và một số vấn đề
có thể nghiên cứu tiếp theo.
Phần phụ lục giới thiệu văn bản mã nguồn của các chương trình đã lập

trong luận án.
Equation Chapter 1 Section 1
13
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
Cơ học môi trường biến dạng không liên tục nghiên cứu các khối không
liên tục, riêng rẽ với nhau trong cơ hệ. Trong đó, bài toán tương tác giữa môi
trường và công trình luôn được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa
học trong nước và ngoài nước. Với sự phát triển của phương pháp số cùng sự
trợ giúp của máy tính, một trong những nội dung đã và đang được chú ý trong
một vài thập niên hiện nay là việc nghiên cứu, phân tích quá trình tiếp xúc,
tương tác giữa các khối rời rạc, riêng rẽ với nhau. Ứng dụng lý thuyết này vào
xây dựng công trình ngầm trong môi trường đá nứt nẻ cho phép đánh giá
tương tác giữa môi trường và công trình để từ đó có những giải pháp hợp lý
giúp cho việc xây dựng an toàn, hiệu quả và chất lượng.
1.1 Ổn định khối đá xung quanh khoang hầm trong môi trường đá nứt nẻ
Sự ổn định khối đá xung quanh khoang hầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
điều kiện địa chất, kích thước hình học và công nghệ thi công khoang hầm, hệ
khung chống….Trong đó, điều kiện địa chất là yếu tố phức tạp nhất, đặc biệt
ở trong môi trường đá. Tính phân lớp, nứt nẻ của khối đá là một trong những
đặc tính đặc trưng và phức tạp của khối đá và cũng từ đây đặt ra những vấn đề
khó khăn nhất mà lý thuyết cơ học đá phải giải quyết. Tính phân lớp, nứt nẻ
của khối đá ảnh hưởng tới tính liền khối và các đặc tính biến dạng-bền chủ
yếu của khối đá. Các đặc trưng của khe nứt là: sự phân bố khe nứt, khoảng
cách các khe nứt, chiều dài khe nứt, độ mở rộng khe nứt, chất lấp nhét trong
khe nứt, độ ghồ ghề của bề mặt khe nứt…
Trong khối đá bị nứt nẻ hay phân lớp, mức độ biến dạng tăng lên nhiều
so với khối đá liền khối. Các tham số về độ bền, mô đun biến dạng… trong
khối đá nứt nẻ giảm xuống nhiều lần so với khối đá liền khối cùng loại. Từ
14

những năm thuộc nửa đầu của thế kỷ 20, một số nhà địa cơ học (M. M.
Protod’jakonov, K.Terzaghi, I. Stini, H. Lauffer,…) [4] đã nêu ra các chỉ tiêu
cũng như bảng phân loại khối đá, cho phép đưa ra một số cơ sở đánh giá về
mức độ ổn định khối đá xung quanh khoang hầm.
Hiện nay đã có hàng loạt các kết quả nghiên cứu công bố xung quanh
vấn đề đánh giá hay dự báo mức độ ổn định của khối đá xung quanh khoang
hầm. Mỗi phương pháp dựa trên những cách tiếp cận khác nhau và là cơ sở
khoa học để lựa chọn loại hình, kết cấu chống giữ phù hợp cho công trình
ngầm. Trên cơ sở cách thức tiếp cận của mỗi phương pháp, để đánh giá trạng
thái ổn định khối đá xung quanh khoang hầm, có thể phân chia thành các
nhóm chính như sau [4]:
1- Phương pháp xác định ứng suất lớn nhất trên biên khoang hầm, sau đó
so sánh với độ bền của khối đá;
2- Phương pháp dự báo xuất hiện vùng biến dạng không đàn hồi, vùng
phá hủy khối đá xung quanh khoang hầm;
3- Phương pháp đánh giá mức độ chuyển dịch (mức độ biến dạng) trên
biên khoang hầm;
4- Phương pháp dựa trên các chỉ tiêu tổng hợp.
Trong luận án, việc phân tích, đánh giá ổn định khối đá xung quanh
khoang hầm được thực hiện theo phương pháp 3, nghĩa là được thực hiện
thông qua đánh giá mức độ chuyển dịch các khối đá trên biên khoang hầm.
1.1.1 Phương pháp xác định ứng suất lớn nhất trên biên khoang hầm
Cơ sở khoa học của phương pháp là xác định ứng suất lớn nhất xuất hiện
trên biên khoang hầm và so sánh với độ bền của khối đá. Như vậy, điều kiện
15
ổn định của khối đá xung quanh khoang hầm được bảo đảm khi ứng suất khối
đá trên biên khoang hầm thỏa mãn điều kiện:
td n
[R ]
σ ≤

hoặc
td k
[R ]
σ ≤
(1.1)
trong đó:
td
σ
- giá trị ứng suất chính lớn nhất tác dụng trên biên khoang hầm;
n k
[R ],[R ]
- độ bền nén, độ bền kéo đơn trục của khối đá.
Ngược lại khi điều kiện (1.1) không được thỏa mãn thì khối đá xung
quanh biên khoang hầm sẽ mất ổn định. Một số kết quả nghiên cứu của các
tác giả được giới thiệu sau đây:
• Phương pháp Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak [4]:
Năm 1975, nhóm tác giả đã dựa vào kết quả xử lý thống kê các quan sát
thực nghiệm trạng thái của khoang hầm tại vùng Donbax để đưa ra chỉ tiêu
“k” nhằm đánh giá độ ổn định của khoang hầm:
n
H
k
R
γ
=
(1.2)
trong đó:
γ
- trọng lượng thể tích của đá; H- chiều sâu đặt công trình so với
mặt đất;

n
R
- độ bền nén đơn trục của khối đá.
Tùy theo giá trị chỉ số “k” mà độ ổn định của khoang hầm được đánh giá
theo kết quả như ở bảng 1.1.
Bảng 1.1 Phân loại ổn định theo Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak
Thứ tự Giá trị “k” Mức độ ổn định khoang hầm
1 k < 0,1 Hoàn toàn ổn định
2 0,1 < k<0,24 Ổn định trung bình
3 k>0,24 Không ổn định
16
Phương pháp này đã đưa ra những cơ sở để đánh giá mức độ ổn định
khoang hầm, tuy nhiên trong việc xác định hệ số “k” chưa đề cập đến nhiều
yếu tố đặc tính tự nhiên của khối đá như độ nứt nẻ, chất lấp nhét… do đó độ
chính xác của phương pháp này ở góc độ nào đó còn mang tính tương đối.
1.1.2 Phương pháp xác định vùng biến dạng xung quanh khoang hầm
Bằng các công thức tính ứng suất của khối đá xung quanh hầm sẽ xác
định được sự phân bố ứng suất trong khối đá. Khi đó biểu đồ vẽ được sẽ biểu
diễn cho môi trường đàn hồi và bền chặt tuyệt đối. Tuy nhiên, trong thực tế đá
là môi trường không đồng nhất và không đẳng hướng nên kết quả có những
sai khác nhất định.
Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất và
phân vùng biến dạng xung quanh
khoang hầm [5]
Hình 1.2 Sơ đồ phân bố biến dạng
ngang và dọc đo được xung quanh
hầm Straight-Creek (Mỹ) [5]
Nếu chỉ xét đường ứng suất lớn nhất và đường giới hạn của sự phân bố
ứng suất thì khối đá xung quanh khoang hầm được chia làm 3 vùng (hình 1.1)
[5]:

17
Vùng I : vùng đá yếu được giới hạn từ mép hầm đến đường phân bố ứng
suất lớn.
Vùng II: vùng đá áp lực cao được giới hạn từ đường ứng suất lớn đến
đường giới hạn phân bố ứng suất.
Vùng III: vùng áp lực tự nhiên tức là vùng không chịu ảnh hưởng của
việc đào hầm có giới hạn từ đường giới hạn phân bố ứng suất trở ra.
Khi biết các đặc trưng cơ học của khối đá thì phạm vi vùng biến dạng có
thể được xác định theo lý thuyết dẻo.
1.1.3 Phương pháp xác định giá trị chuyển dịch (biến dạng) lớn nhất trên
biên khoang hầm
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết (phương pháp toán cơ) [4], [5]:
Trên cơ sở những mô hình địa cơ học khác nhau, bằng đường lối giải
tích, các tác giả đã đưa ra những kết quả quan trọng có tính chất định tính làm
cơ sở đề ra các dự báo về mức độ ổn định khoang hầm.
Trường hợp khoang hầm có mặt cắt ngang hình tròn được thi công trong
khối đá không đồng nhất, đẳng hướng theo mặt, chuyển dịch của khối đá trên
biên hầm theo Turchaninov (1977) sẽ có giá trị:
Tại vị trí trên biên ngang của khoang hầm, giá trị chuyển dịch là:
xy
x
h
u ( v )
E
γ
= β −α +
(1.4)
Tại vị trí trên biên đứng của khoang hầm, giá trị chuyển dịch là:
xy
x

h
u ( v )
E
γ
= αβ −α +
(1.5)
Các thành phần trong công thức (1.4) và (1.5) được tính toán như sau:
18
x
2
E
E
1
=
− ν
;
1
xy
1
E
v .
E 1
ν
=
− ν
;
1
y
2
1

1
E
E
E
1
E
=
− ν
;
x
y
E
E
α =
;
x x
xy
y 1
E E
2
E G
β = − ν +
trong đó:
E,
ν
- mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của đá trong mặt đẳng
hướng;
1 1
E ,
ν

- mô đun đàn hồi và hệ số Poisson theo hướng vuông góc với
mặt đẳng hướng; G
1
-mô đun trượt trong mặt phẳng vuông góc với mặt đẳng
hướng;
θ
- góc hợp bởi phương của đoạn thẳng nối điểm đang xét với tâm của
khoang hầm và trục tọa độ ngang x;
• Phương pháp VNIMI [4]:
Năm 1970, Zaxlavxki trong khi đánh giá thực nghiệm hiện trường các
đường lò không chống vùng Donbax và cùng với các nhà khoa học Viện Địa
cơ học Nga (VNIMI) đã đưa ra chỉ tiêu đánh giá ổn định của khối đá thông
qua giá trị dịch chuyển “U”:
s B t t
U K .K .K .K .K .U
α Φ
=
(1.7)
trong đó: K
α
- hệ số tính đến góc nghiêng của lớp hoặc khe nứt so với phương
hầm; K
Φ

-hệ số tính đến hướng dịch chuyển; K
s
- hệ số ảnh hưởng của chiều
rộng khoang hầm; K
B
-hệ số tính đến ảnh hưởng của các đường hầm khác; K

t
-
hệ số tính đến ảnh hưởng của thời gian dựng vì chống tạm; U
t
-dịch chuyển
của đất đá tùy thuộc vào độ bền đá “R
n
” và độ sâu công trình “H”.
Các hệ số trên được xác định theo đồ thị.
Trên cơ sở giá trị dịch chuyển theo tính toán “U”, mức độ ổn định
khoang hầm sẽ được xác định tương ứng theo các số liệu trên bảng 1.2.
19
Bảng 1.2 Phân loại ổn định theo XNiP-II-94-80, VNIMI
Cấp ổn
định
Mức độ ổn định
Độ dịch chuyển tối đa của biên U (mm)
Đá trầm tích Đá phun trào Đá muối
I Ổn định 50 20 200
II Tương đối ổn định 50-200 20-100 200-300
III Kém ổn định 200-500 100-200 300-500
IV Không ổn định 500 200 500
1.1.4 Phương pháp sử dụng chỉ tiêu tổng hợp phân loại khối đá
Sử dụng các chỉ tiêu tổng hợp để phân loại khối đá, qua đó dự báo độ ổn
định khối đá xung quanh khoang hầm được các nhà địa cơ học tiến hành
nghiên cứu trên cơ sở việc đánh giá tổng hợp một số lượng lớn các yếu tố ảnh
hưởng.
• Phương pháp Bulưchev [5]:
Năm 1975, Bulưchev thuộc viện Địa Cơ học Nga (VNIMI) đã đưa ra chỉ
tiêu đánh giá độ ổn định “S” của khoang hầm theo biểu thức:

m r w
kp
n t a
K .K .K
S f .
K .K .K .K
α
=
(1.8)
trong đó: f
kp
- hệ số kiên cố của đất đá theo cách tính và phân loại của
Protod’jakonov; K
m
- hệ số tính đến ảnh hưởng của nứt nẻ; K
r
- hệ số tính đến
độ nhám thành khe nứt; K
w
-hệ số tính đến độ ngậm nước; K
n
-hệ số tính đến số
lượng hệ thống nứt nẻ; K
t
-hệ số phụ thuộc vào độ mở khe nứt; K
a
-hệ số đặc
trưng cho chất lấp đầy khe nứt; K
α
- hệ số phụ thuộc vào góc giữa trục hầm và

phương của khe nứt.
Sau khi xác định chỉ tiêu ổn định “S”, mức độ ổn định của khoang hầm
được xác định theo bảng 1.3.
20
Bảng 1.3 Phân loại ổn định theo Bulưchev
Thứ tự Giá trị “S” Cấp ổn định khối đá Mức độ ổn định khối đá
1 >70 I Hoàn toàn ổn định
2 5 - 70 II Ổn định
3 1 - 5 III Ổn định trung bình
4 0.05 - 1 IV Không ổn định
5 <0.05 V Rất không ổn định
• Phương pháp Deer D.U [16]:
Năm 1964, Deere D.U đã đề xuất chỉ số “chất lượng khối đá ” RQD
(Rock Quality Designation) trên cơ sở đánh giá chất lượng, số lượng và đặc
tính các đoạn lõi khoan khi thu hồi. Giá trị RQD được đề nghị tính theo công
thức sau:
p
t
L 10cm
RQD .100%
L
≥
=
∑
(1.9)
trong đó:
p
L 10cm
≥
∑

-tổng chiều dài các thỏi khoan có chiều dài lớn hơn
hoặc bằng 10 cm; L
t
- chiều dài đoạn khoan qua.
Trên cơ sở quan sát thực tế và so sánh với chỉ số RQD, Deere D.U đã đề
xuất bảng phân loại khối đá như sau (bảng 1.4).
Chỉ số RQD được sử dụng tương đối rộng rãi, đồng thời cũng là cơ sở để
các nhà khoa học khác sử dụng để đưa vào các chỉ tiêu khác đánh giá mức độ
ổn định khối đá xung quanh khoang hầm.
Bảng 1.4 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu RQD
TT Chỉ tiêu RQD (%) Đặc trưng đánh giá khối đá
1
0 ÷ 25
Rất xấu
21
2
25 ÷ 50
Xấu
3
50 ÷ 75
Trung bình
4
75 ÷ 90
Tốt
5
90 ÷ 100
Rất tốt
• Phương pháp G.E . Wickham [4]:
Năm 1972, Wickham G.E và một số nhà nghiên cứu tại Mỹ đã đề xuất
“chỉ tiêu cấu trúc đá ” RSR và mô tả chất lượng với nhiều yếu tố định lượng

phân loại khối đá và lựa chọn kết cấu chống giữ cho khoang hầm.
RSR=A + B + C (1.10)
trong đó: A- nhóm các thông số địa kỹ thuật đánh giá cấu trúc khối đá; B-
nhóm các thông số thể hiện đặc điểm khe nứt, hướng thi công; C- nhóm các
thông số xét về ảnh hưởng nước ngầm và điều kiện nứt nẻ.
Các nhóm thông số đều được phân chia chi tiết bằng các bảng và định
lượng theo các mức đánh giá khác nhau. Giá trị lớn nhất của chỉ tiêu RSR là
100 thể hiện chất lượng khối đá ở mức độ tốt nhất.
• Phương pháp Z. T. Bieniawski [12]:
Năm 1973, Z. T. Bieniawski đánh giá trạng thái ổn định theo thang điểm
RMR (Rock Mass Rating). Trị số RMR được xác định theo biểu thức:
BS RQD DJ OJ CJ W
RMR R R R R R R= + + + + +
(1.11)
trong đó:R
BS
- hệ số kể đến độ bền nén đơn trục của đá; R
RQD
- hệ số thể hiện
chỉ số RQD; R
DJ
- hệ số thể hiện khoảng cách của hệ khe nứt; R
OJ
- hệ số thể
hiện hướng của khe nứt; R
CJ
- hệ số thể hiện đặc điểm trạng thái của hệ khe
nứt; R
W
- hệ số thể hiện điều kiện ngậm nước;

22
Theo cách phân loại này khối đá được chia thành 5 cấp với các thang
điểm như trong bảng 1.5.
Bảng 1.5 Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu RMR
TT
Cấp phân
loại
Đặc trưng đánh giá
khối đá
Chỉ tiêu
RMR
1 I Rất tốt
100 ÷ 81
2 II Tốt
80 ÷ 61
3 III Trung bình
60 ÷ 41
4 IV Xấu
40 ÷ 21
5 V Rất xấu < 21
Theo các tác giả khi RMR = 61 ÷ 90 thì chất lượng khối đá là tốt có thể
chỉ cần gia cố bằng neo hoặc bê tông phun.
Hình 1.3 Quan hệ giữa thời gian tồn tại ổn định với chiều rộng công trình
ngầm theo Z.T. Bieniawski
• Phương pháp Barton-Lien-Lunde [11]:
23
Năm 1974, Barton và các nhà nghiên cứu ở Na - Uy dựa vào kết quả
khảo sát hàng loạt các trường hợp thực tế đã đưa ra “chỉ số chất lượng đường
hầm ” Q (Tuneling Quality Index) để đánh giá độ ổn định của khối đá.
Cụ thể Q được tính theo biểu thức:

r W
n a
RQD J J
Q . .
J J SRF
=
(1.12)
ở đây: RQD - chỉ số chất lượng đá RQD; J
n
- hệ số kể đến ảnh hưởng của số
lượng khe nứt; J
r
- hệ số kể đến biến đổi khe nứt (độ nhám); J
a
- hệ số kể đến
ảnh hưởng của sự phong hoá; J
W
- hệ số suy giảm do nước; SRF- hệ số suy
giảm ứng suất xung quanh các công trình ngầm.
Theo trị số Q các tác giả phân ra các nhóm khối đá theo bảng 1.6.
Bảng 1.6. Bảng phân loại khối đá theo chỉ tiêu Q
Số TT Cấp phân loại Chỉ tiêu Q Đánh giá khối đá
1 I
0,001 ÷ 0,01
Đặc biệt xấu
2 II
0,01 ÷ 0,1
Cực xấu
3 III
0,1 ÷ 1,0

Rất xấu
4 IV
1,0 ÷ 4,0
Xấu
5 V
4,0 ÷ 10,0
Trung bình
6 VI
10,0 ÷ 40,0
Tốt
7 VII
40,0 ÷ 100,0
Rất tốt
8 VIII
100,0 ÷ 400,0
Cực tốt
9 IX
400,0 ÷ 1000,0
Đặc biệt tốt
Theo tác giả khi Q > 40 khối đá là ổn định và có thể sử dụng vỏ chống
nhẹ để chống giữ. Như vậy, khác với chỉ tiêu RMR của Z.T. Bieniawski, chỉ
tiêu Q chưa xét tới ảnh hưởng của hướng phát triển khe nứt trong khối đá và
24
trục hầm thi công. Tuy nhiên, trên thực tế cho thấy ảnh hưởng này là không
lớn so với ảnh hưởng của các chỉ số J
n
, J
r
, J
a

cho nên sự khác biệt giữa hai chỉ
tiêu RMR và chỉ tiêu Q là không lớn. Năm 1976, Z.T. Bieniawski [13] đã đưa
ra mối quan hệ giữa hai chỉ tiêu RMR và Q như sau:
RMR 9lnQ+44
=
(1.13)
• Phương pháp E. Hoek-E. T. Brown [17]:
Năm 1980, để xác định vùng phá hủy xung quanh công trình ngầm, trên
cơ sở kết quả nghiên cứu mô hình tính toán cơ (mô hình số) về quy luật phân
bố ứng suất trong khối đá xung quanh khoang hầm, E. Hoek và E. T. Brown
đã đề xuất tiêu chuẩn bền thực nghiệm phá hủy của khối đá (gọi là tiêu chuẩn
Hoek-Brown) như sau:
3
1 3 n.m
n.m
R m. s
R
σ
σ = σ + +
(1.14)
trong đó:
1
σ
- giá trị ứng suất chính lớn nhất khi phá hủy;
3
σ
- giá trị ứng suất
chính nhỏ nhất khi phá hủy; R
nm
- giới hạn bền nén đơn trục mẫu đá; m và s-

các hằng số phụ thuộc vào tính chất của đá và mức độ phá hủy của chúng
dưới tác dụng của các ứng suất
1
σ
và
3
σ
giá trị của m và s có thể được xác
định theo bảng hoặc các công thức thực nghiệm.
Nhận xét chung
Các phương pháp dự báo ổn định cho khối đá xung quanh khoang hầm
có ý nghĩa hết sức quan trọng trong quá trình thi công, đặc biệt là thiết kế hệ
thống kết cấu chống đỡ cũng như lựa chọn kết cấu công trình ngầm một cách
hợp lý.
Trong các phương pháp được nêu ở trên, một số phương pháp (phương
pháp của Druzhko-Zaxlavxki-Chernjak; phương pháp của VNIMI) sử dụng
25