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

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn, chấn động nổ mìn có thể phá hủy
khối đá xung quanh và các công trình lân cận như các tòa nhà trên mặt đất hoặc công
trình ngầm tồn tại trước đó. Nổ mìn đào hầm có thể làm sụt lún bề mặt. Hiện tượng
này đã xảy ra tại Quảng Ninh và một số vùng khác có tiến hành công tác nổ mìn để
đào hầm. Do vậy việc nghiên cứu các thông số đánh giá chấn động nổ mìn nhằm hạn
chế 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 Vạn
Ninh, tỉnh Khánh Hòa. Hầm dài 500m, gồm hai hầm song song, mặt cắt ngang
tuyến qua khu vực hầm gồm có 2 làn xe, bề rộng mỗi làn là 3,5m tổng chiều
rộng 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 thể
hiện 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 nên
phải 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.
1
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 thành
phố 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. Chạy
song song và cách hầm chính 30m là hầm lánh nạn dài 6286m, mặt cắt ngang
diện tích 15,5m². Vấn đề đặt ra ở đây là ta phải đánh giá chấn động dến hầm
chính khi người ta mở rộng hầm lánh nạn bằng phương pháp khoan nổ mìn.[2]

30m
Hình 4 : Hầm Hải Vân.
Nước ngoài cũng có rất nhiều công trình tương tự.
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 là
1757.5m với diện tích mặt cắt ngang của hầm là 84,10m². Vị trí hầm nằm ở khu vực
rất đông dân cư và có nhiều tòa nhà gần đó, cùng một lúc có một đường hầm tồn tại
nằm 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,phương
pháp 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 hầm
hiện 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 nổ
mìn đào hầm là chưa cụ thể, rõ ràng . Các nghiên cứu về ảnh hưởng của công trình lân
cận 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 nay
nên việc nghiên cứu các thông số đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn là rất cần
thiết.
3
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 mà
không xét tới sự tác động của công tác khoan nổ mìn trên gương thì công sẽ không

thỏađáng.
Rõ ràng, song nổ mìn lan truyền trong môi trường đất đá và môi trường không
khí 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 thay
đổi kích thước vùng phá hủy bao quanh công trình ngầm. Đây là những vấn đề mới
vẫn 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 những
đợt 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 nổ
vào 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
4

làm cho các phân tử môi trường đất đá chuyển động theo hướng vuông góc với hướng
lan 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 thể
xác định theo công thức Xađôvski M.A.
V= , m/giây. (1)
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:
V= . , m/giây. (2)
Tại đây: f(n) – hàm số của chỉ số tác dụng nổ.
Đối với lượng thuốc dài phân đoạn.
V= (250 ± 150) . ,m/giây. (3)
Khi nổ vi sai, hiệu quả chấn động phụ thuộc vào thời gian chậm nổ “T” và số
lượng nhóm thuốc “N”. Nếu lượng thuốc nổ trong các nhóm thuốc nổ như nhau thì có
thể sẻ dụng công thức sau để xác định tốc dộ dao động riêng của môi trường đất đá:
V= ( ) . , m/giây. (4)
Theo Xađôvski M.A, sự biến dạng và phá hủy của công trình xảy ra khi tốc độ
dao động “V” vượt quá trị số xác định “ ” nào đó: V > . Việc lựa chọn tốc độ cho
5
phép “ ” xuất phát từ điều kiện sao cho khi các vụ nổ lặp lại nhiều lần mà các công
trình 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 theo
công thức sau:
= ( . . ), m. (5)
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 sự
tác động từ công tác nổ mìn đến vùng đất đá bao quanh công trình ngầm, theo Võ
Trọng 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 đánh
giá 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 thể
được xác định theo công thức sau đây:
6
= . , 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 có
giá trị tối thiểu như sau:
( .α. ), m. (7)
Từ quy luật tác dụng của sóng nổ mìn trên gương đến các khu vực đất đá bao
quanh công trình ngầm, Võ Trọng Hùng đã xây dựng sơ đồ mô tả các khu vực đất đá
chịu sự ảnh hưởng của mỗi vụ nổ mìn tại gương thi công công trình ngầm thể hiện trên
Hình 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 hạn
0≤ ≤ 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 hưởng
của mỗi đợt nổ mìn cho một bước tiến gương thực tế sau một chu kì thi công công
trình 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 sử

dụng lỗ mìn (Hình 6).
7
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 đường
hầm vùng 1; 3.Đường hầm chưa được thi công; 4.Khu vực đất đá sẽ bị phá hủy bao
quanh 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:
k= ( ) (8)
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.
8
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 chúng
tính 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 … ): vùng
đất 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 gương
thứ (n-k); vùng đất đá từ gương thứ (n-k) đến gương thứ (n-k+1) sẽ chịu
mức độ chấn động nhỏ nhất;
• Tại vùng đất đá phá hủy phía trước gương thi công (vùng 4, Hình ): vùng

đất đá từ gương thứ (n) đến “gương” thứ (n+1) chịu mức độ chấn động lớn
nhất (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 thi
công “n” (gương 5, HÌnh 6) về phía phải và phía trái gương tuân theo quy luật tuyến
tính, thì giá trị định lượng của chấn động tác dụng lên đất đá (thể hiện qua tốc độ dao
động 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 công
trình ngầm.
Từ đây, Võ Trọng Hùng đã tìm ra công thức xác định giá trị tốc độ dao động
riêng “ ” của vùng đất đá đơn vị tại vị trí nằm giữa vung 2 (và tương tự như ở
vùng 4) như sau:
= , m/giây. (9)
9
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 tại
từng vùng đơn vị nằm trong các vùng 2 và 4 sẽ bị lập đi lập lại “2.k” lần. Tốc độ dao
động riêng “ ” của môi trường đất đá sau mỗi lần nổ mìn sẽ lặp lại gần bằng giá
trị tính theo công thức (9).
Chính sự lặp đi lặp lại chấn động này sẽ làm gia tăng mức độ phá hủy tiếp theo ( gia
tăng mật độ, số lượng nứt nẻ) của khối đá trong khu vực ảnh hưởng từ công tác nổ mìn
tại 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 nổ
mìn 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 phá
hủy 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 độ
nứt 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 hệ
thống “ kết cấu chống giữ - khối đá” để có các biện pháp hiệu quả bảo vệ công
trình ngầm:
- Sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn đến các loại máy và thiết bị thi công công trình
ngầm
- Sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn đến khả năng phá hủy, biến dạng của các loại
kết 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 – lộ
thiên sẽ gây nên những tác dụng có hại đối với kết cấu chống giữ công trình ngầm phía
trong không gian công trình ngầm và nằm trong chính khối đá bao quanh công trình
ngầm thông qua các loại sóng chấn động, sóng va đập không khí.
10
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 gần
gương 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 tại
bước tiến gương thứ “i”, theo Võ Trọng Hùng, ngoài tác dụng phá hủy đất đá trong
khu vực phía trước gương thi công, tạo nên không gian công trình ngầm mới với bước
tiến gương bằng “I
tg

”, vụ nổ mìn “A” trên gương còn tạo nên các loại sóng nổ khác
nhau 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
“II”;
 Sóng chấn động truyền qua môi trường khu vực đất đá bị phá hủy trực tiếp trên
biên công trình ngầm “III”;
 Sóng chấn động truyền qua môi trường đất đá nguyên khối chưa bị phá hủy
“IV” (Hình 7).
Hình 7. Sơ đồ mô tả các loại sóng chấn động, sóng va đập xuất hiện trong quá trình
nổ mìn tại gương thi công tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm: A – Khu
11
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 xem
xét đến gương thi công công trình ngầm thứ “I”; I – Khoảng không gian môi trường
không 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 Võ
Trọng 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 công
trình ngầm. Trên hình 7 giới thiệu sơ đồ mô tả các loại sóng chấn động, sóng va đập
xuất hiện trong quá trình nổ mìn tại gương thi công tác dụng lên kết cấu chống giữ
công trình ngầm (vị trí “B”).
Trong trường hợp tổng quát, theo Võ Trọng Hùng , kết cấu chống giữ công trình
ngầm chịu sự tác dụng của sóng nổ mìn và các đại lượng áp lực do chúng tạo nên như
sau (hình 7):
- Sóng và đập lan truyền trong môi trường không khí “I” phía trong công
trình ngầm gây nên áp lực “P
1
”, tác dụng lên kết cấu chống giữ “II”

- Sóng chấn động làn truyền trong chính môi trường hệ thống kết cấu chống
giữ “II”, gây nên áp lực “P
2
” 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 “P
3
”, tác dụng lên kết cấu chống
giữ “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 trình
ngầm, phản xạ trở lại và gây nên áp lực “P
4
” tác dụng lên kết cấu chống giữ
“II”.
- Sóng va đập lan truyền trong môi trường không khí “I” phía trong công
trình ngầm, phản xạ trở lại và gây nên áp lực “P
5
”, tác dụng lên kết cấu
chống giữ “II”
Như vậy, theo Võ Trọng Hùng, mỗi vị trí thuộc kết cấu chống giữ công trình
ngầm sẽ phải chịu sự tác động của năm loại áp lực có nguồn gốc từ vụ nổ
mìn tiến gương “A” như sau:
- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng va đập lan truyền trong không khí “P
1
”.
12
- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong kết cấu
chống giữ công trình ngầm “P
2

”.
- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong lớp đất đá
phá hủy trên biên công trình ngầm “P
3
”.
- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong môi trường
đất đá nguyên khối truyền qua lớp đất đá bị phá hủy trên biên “P
4
”.
- Đại lượng áp lực xuất hiện do sóng va đập phản xạ trở lại trong môi trường
không khí phía trong công trình ngầm “P
5
” 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 mìn
ngầm, 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 trình
ngầm 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 chống
giữ công trình sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Môi trường truyền sóng nổ mìn (đất đá, không khí, môi trường hỗn hợp
không 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 đập
truyền trong môi trường hỗn hợp)
- Các đặc điểm tác động của các loại sóng nổ mìn đến kết cấu chống giữ công
trình ngầm,
- Chủng loại kết cấu chống giữ công trình ngầm (các loại kết cấu chống giữ
dạng bị động, các loại kết cấu chống giữ dạng chủ động, các loại kết cấu

chống 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
mìn
13
- Các đặc tính chịu tải của kết cấu (kết cấu liền khối và chịu tải liên tục, kết
cấu cấu tạo từ các thành phần rời rạc có mối liên kết với nhau, kết cấu cấu
tạo 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 công
trình ngầm, đặc tính tác dụng tương hỗ giữa các thành phần cấu thành kết
cấu 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
thành kết 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 từng
nhóm, từng bộ phận; kết cấu tác dụng tương hỗ từng phần với nhau theo
từng nhóm, từng bộ phận; các nhóm kết cấu vận hành không độc lập với
nhau, có mối liên kết với nhau.
+ Các thành phần cấu thành kết cấu chịu tải trọng, truyền tải trọng theo từng
nhóm, từng bộ phận; kết cấu tác dụng tương hỗ từng phần với nhau theo
từng 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 làm
việc 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 đại
lượng áp lực có nguồn gốc từ các loại sóng nổ mìn trên gương thi công tác
động lên kết cấu chống giữ công trình ngầm và gây nên sự ảnh hưởng có hại
đến các thành phần cấu thành kết cấu chống giữ theo sơ đồ mô tả trên hình :
14

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
Chủng loại kết cấu
chống giữ
Vị trí điểm
kết cấu
đang xét
Đặc tính chịu tải của
kết cấu chống giữ
Đặc tính tác dụng tương hỗ giữa
các thành phần cấu thành kết cấu
Các loại kết cấu chống giữ dạng bị động
Các loại kết cấu chống giữ dạng hỗn hợp bị động- chủ động
Các loại kết cấu chống giữ dạng chủ động
Ví trí khoảng cách xem xét theo chiều dọc trục công trình ngầm
Ví trí khoảng cách xem xét theo mặt cắt ngang công trình ngầm
Kết cấu có cấu tạo liên tục và chịu tải liên tục
Kết cấu cấu thành từ các thành phần rời rạc có mối liên kết
Kết cấu cấu thành từ các thành phần rời rạc không có mối liên kết

Chịu tải riêng lẻ,làm việc độc lập, không có sự tác động tương hỗ
Có tác dụng tương hỗ với nhau theo từng nhóm, từng bộ phân riêng
Có tác dụng tương hỗ giữa các nhóm riêng trong toàn bộ kết cấu
Có tác dụng tương hỗ một cách liên tục, mật thiết với nhau
15
Các quy luật biến đổi áp lực có nguồn gốc từ các chấn động, va đập được hình thành do
sóng 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 của
kết 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 do
sóng nổ mìn tại gương thi công công trình ngầm gây nên thì các chủng loại kết cấu
chống 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 tục
dạng tấm, vỏ mỏng.
- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “b” – Kết cấu chống giữ bị động không
liên tục dạng khung chống có mối liên kết với nhau.
- Chủng loại kết cấu chống giữ dạng “c” – Kết cấu chống giữ bị động không
liên 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 dạng
khối 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 chủ
động – 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 bị
động – 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”
16
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 môi
trường khác nhau bao quanh công trình ngầm và các loại áp lực có nguồn gốc từ chúng
phải được xem xét trên cơ sở mối quan hệ chịu tải, đặc điểm chịu tải, đặc điểm cấu
tạo… 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 các
thành phần cấu thành kết cấu chống giữ và sự tương tác của chúng với môi trường bao
quanh có ý nghĩa rất lớn khi giải quyết bài toán. Trên hình mô tả sự tác động của các
loại sóng nổ mìn lên một số chủng loại kết cấu chống giữ chủ yếu của công trình
ngầm.
17
Hình 9. Các chủng loại kết cấu chống giữ đặc trưng chịu sự tác dụng của các loại áp
lực 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 do
sóng nổ mìn tại gương thi công gây nên tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình
ngầm sẽ xác định theo mối quan hệ :
18
(10)
Tại đây: – Tổng giá trị áp lực tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm
tại vị trí xem xét; F – Hàm số liên kết mối quan hệ giữa các đại lượng áp lực có nguồn
gốc từ các loại sóng nổ mìn tác dụng lên kết cấu chống giữ công trình ngầm; P1 – Giá
trị áp lực xuất hiện do sóng va đập lan truyền trong môi trường không khí phía trong
công trình ngầm; P2 – giá trị áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan truyền trong môi

trường của hệ thống kết cấu chống giữ; P3 – Gía trị áp lực xuất hiện do sóng chấn
động 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 nguyên
khối, 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 phía
trong công trình ngầm phản xạ trở lại.
Trên thực tế, mỗi chủng loại kết cấu chống giữ công trình ngầm khác nhau sẽ chịu
đụng 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 không
lớn 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:
; (11)
 Kết cấu chống giữ chủ động dạng “khối đá gia cường” (Hình 9.e) và dạng tổ
hợp “khối đá gia cường – vì neo” (Hình 9.g). Do mức dộ tác dụng không lớn của hai
loại 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 liên
kết 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 :
19
; (13)
 Kết cấu chống giữ bị động liên tục dạng tấm, vỏ mỏng (Hình 9.a),kết cấu chống
giữ bị động không liên tục dạng khung chống có mối liên kết với nhau (Hình 9.b), kết
cấu chống giữ hốn hợp bị động – chủ động dạng bê tông phun (Hình 9.h), tổ hợp “bê
tông 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 quan

hệ:
. (14)
Trong kết cấu chống giữ hỗn hợp bị động – chủ động dạng bê tông phun, mức độ
tác dụng của hai lại áp lực “P1” và “P5” tại đây không lớn như trong các trường hợp
cho 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 trong
một 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 “P
2
” (áp lực xuất hiện do sóng chấn động lan
truyền trong môi trường của hệ thống kết cấu chống giữ bê tông phun) sẽ phải cấu
thành từ hai thành phần: P
2.1
- giá trị áp lực lan truyền trong lớp đất đá trên biên công
trình ngầm đã được vật liệu bê tông phun liên kết gia cường; P
2.2
– giá trị áp lực lan
truyền 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 với
nhau.
Trong tất cả các trường hợp kết cấu chống giữ xem xét trên đây (Hình 9), các thành
phần áp lực “P1”, “P2” “P3” P4” “P5” đều có các giá trị, hướng tác dụng không giống
nhau tại các trường hợp xem xét riêng biệt cho từng chủng loại kết cấu chống giữ cụ
thể vì các nguyên nhân sau đây :
 Môi trường truyền sóng va đập và sóng chấn động khác nhau(tính chất môi
trường, kích thước các vùng truyền sóng…khác nhau)
 Việc tách bạch xem xét và nghiên cứu riêng lẻ các môi trường truyền sóng, các
chủng 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 giao
thoa môi trường, giao thoa sóng nổ rất phức tạp
 Mối quan hệ tác dụng tương hỗ giữa kết cấu chống giữ và môi trường bao
quanh rất khác nhau
 Đặc điểm ứng xử khác nhau của từng loại kết cấu chống giữ đối với sự tác dụng
của các loại sóng nổ xuất hiện khác nhau
20
Do đó, việc nghiên cứu xác định tổ hợp áp lực tác dụng lên kết cấu chống giữ công
trình ngầm trong từng trường hợp riêng biệt phải có những phương pháp tiếp cận cụ
thể. Tại đây phải xem xét những đặc tính cấu tạo của tỏ hợp kết cấu chống giữ, phải
chú ý tới mối quan hệ của từng thành phần cấu thành kết cấu chống giữ và đặc điểm
truyền 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 hưởng
của 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 phá
hủy – khối đá bao quanh” dưới các tác động từ các vụ nổ mìn thi công công trình
ngầm;
 Nghiên cứu xây dựng các quy luật lan tỏa các loại sóng nổ mìn trong các môi
trường không khí, môi trường đất đá, môi trường hốn hợp phức tạp khác nhau…bao
quanh công trình ngầm;
 Quá trình nghiên cứu lý thuyết sự tác dụng của sóng nổ lên kết cấu chống giữ
công trình ngầm sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy, tại đây nên tiến hành nghiên cứu
thực nghiệm ch từng nhóm điều kiện đặc trung (tính chất cơ lý đất đá; mối liên hệ giữa
môi trường với kết cấu chống giữ; đặc tính của từng loại kết cấu chống giữ cụ thể sử
dụng 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 vỏ
quả đất.
Hình 10.Sóng địa chấn
21
1. Sóng khối
Khi động đất xảy ra, sóng khối di chuyển xuyên qua các lớp đất và truyền lên mặt đất.
Sóng khối có tần số cao hơn và vận tốc lan truyền từ tâm chấn nhanh hơn sóng bề mặt.
Có hai dạng sóng khối chính:
 Sóng P (P Waves)
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 có
thể di chuyển qua các lớp đá rắn và các lớp vật chất lỏng trong vỏ quả đất, như lớp
mắc ma, nước biển hay nước ngầm. Sóng P truyền theo phương dọc, tương tự như
sóng âm thanh. Sóng P còn được gọi là sóng nén (compression waves) vì tác dụng đẩy
và kéo lên lớp đất đá. Hướng lan truyền của sóng P đặc trưng cho hướng phân tán
năng lượng địa chấn.
Mặt phẳng truyền sóng P Sóng P tỏa ra từ tâm chấn
Hình 11.Sóng P
22
 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 là
sóng thứ cấp. Sóng S chỉ có thể lan truyền trong lớp đá rắn mà không thể di chuyển
qua các lớp vật chất lỏng. Chính tính chất này của sóng S giúp các nhà địa chấn khẳng
định lớp vỏ quả đất có chứa mắc ma. Sóng S truyền theo phương ngang, tức là vuông
góc 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 phía
trên sát mặt đất. Mặc dù dạng sóng này “đến” sau sóng khối, nhưng hầu như sóng bề
mặt mới là nguyên nhân chính gây ra phá hoại nhà cửa trong các trận động đất. Khi
23
tâm 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 học
người Anh A.E.H. Love, là người đầu tiên đề xuất mô hình toán học cho kiểu sóng này
vào năm 1911. Sóng Love lan truyền theo phương ngang và có tốc độ nhanh nhất
trong các sóng bề mặt. Sóng Love là nguyên nhân chủ yếu gây nên chuyển động ngang
của 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 trên
mặt biển. Vì thế, mặt đất bị di chuyển lên xuống, qua lại theo phương truyền của sóng
này. 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.
24
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 1500-
36000C; giải toả một năng lượng lớn khoảng 1000 - 6000kJ/kg thuốc nổ; thể tích khí
thải ra tăng; áp lực nổ tăng lên. Những hiệu ứng trên gây nên sóng ứng suất lan truyền
trong môi trường và gây ra va đập của các phần tử do đó nổ mìn có tác dụng phá huỷ
môitrường.
Lý thuyết truyền sóng trong môi trường vật rắn đồng nhất, đẳng hướng được

các 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 + (λ + G) GradDivu + X = ρ.u , (15)
trong (15): G, λ - Hệ số Lamê; u- chuyển vị; ρ - 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:
+ 2 - 2 = 2χ + , (16)
Khi kể đến hiện tượng giảm bền của vật liệu (đá) theo quy luật:
- = χ + ( - ) , (17)
Có thể viết (2) dưới dạng:
25