Nghiên cứu xác định khoảng cách tối thiểu giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gãy bằng phương pháp số

1

MỤC LỤC


2

MỞ ĐẦU

1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh
vực của đề tài
Những năm gần đây, kỹ thuật công nghệ trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm
đã đạt được những kết quả vượt bậc, đặc biệt là thi công công trình ngầm qua những
điều kiện địa chất phức tạp, địa chất yếu. Có rất nhiều các công trình được xây dựng
qua vùng địa chất có phay phá đứt gẫy thành công, an toàn và hiệu quả, tuy nhiên cũng
có những công trình xảy ra các sự cố trong thi công để lại các hậu quả rất lớn và chi
phí để khắc phục tai biến kỹ thuật là rất lớn và chất lượng công trình không đảm bảo.
Cho đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu của các tác giả trong và
ngoài nước về thi công các công trình ngầm và mỏ qua khu vực địa chất có phay phá
đứt gãy như của các tác giả: Ma Shi Zhi, Ren Zhao, Liu Wu Bi [6,7,8], GS.TS.
Nguyễn Quang Phích [1], PGS.TS. Nguyễn Quang Luật [2], Nhìn chung, có thể thấy
rằng, các tác giả trong và ngoài nước mới chỉ tập trung vào các biện pháp thi công
chống giữ khi đào các công trình ngầm và mỏ đi qua phay phá đứt gãy, hoặc các biện
pháp khắc phục các sự cố xảy ra khi thi công công trình ngầm qua phay phá đứt gẫy,
hoặc công tác dự báo phòng ngừa các sự cố khi thi công công trình ngầm qua vùng
phay phá đứt gãy, mà chưa chú ý đến các công trình ngầm đào song song với phay phá
đứt gẫy, và khi thi công các công trình ngầm và mỏ song song với đứt gãy thì khoảng
cách an toàn giữa công trình ngầm tới đứt gãy bằng bao nhiêu vẫn chưa có nhiều các
công trình được công bố. Chính vì vậy việc nghiên cứu xác định khoảng cách tối thiểu
giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gẫy khi công trình ngầm đào song song với
phay phá đứt gẫy có ý nghĩa khoa học và hoàn toàn xuất phát từ thực tiễn khách quan.

2. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, trung bình mỗi năm ngành than phải đào chống từ 250 ÷ 300 km đường
lò, trong đó các đường lò trong đá chiếm khoảng 25%, các đường lò trong than chiếm
khoảng 75% [3,4,5]. Ngoài ra các dự án thủy điện, giao thông khi thực hiện cũng phải
thi công một số lượng lớn các đường hầm. Các công trình ngầm này thường có chiều
dài lớn và khi thi công sẽ đi qua rất nhiều các lớp đất đá khác nhau do đó sắc xuất gặp
các phay phá đứt gãy tồn tại trong khối đá rất lớn.


3

Phay phá đứt gẫy thường gây trở ngại cho công tác thiết kế và thi công các công
trình ngầm, đường lò. Thông thường khi thi công các công trình ngầm, đường lò gần
đến các đứt gẫy hoặc đào qua các đứt gẫy thường xảy ra các sự cố trượt lở đất đá vào
trong khoảng trống làm nguy hiểm cho người và máy móc thiết bị, làm ngừng trệ sản
xuất và ảnh hưởng đến tốc độ thi công chung của công trình. Các công trình ngầm khi
đào qua vùng đứt gẫy phay phá thì khoảng cách giữa công trình ngầm, đường lò đến
đứt gẫy có ảnh hưởng đến độ ổn định của công trình, khoảng cách này càng nhỏ thì
mức độ ổn định của công trình càng kém, khoảng cách càng lớn thì độ ổn định càng
cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xác định khoảng cách tối
thiểu giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gãy bằng phương pháp số” để xác định
khoảng cách hợp lý giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gẫy khi công trình ngầm
đào qua các phay phá đứt gẫy có ý nghĩa vô cùng quan trọng đến độ ổn định của công
trình.

3. Mục tiêu của đề tài
Xác định khoảng cách tối thiểu trụ đất đá bảo vệ giữa công trình ngầm (đường lò)
tới phay phá đứt gẫy khi thi công các công trình ngầm đi qua vùng phay phá đứt gãy.

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thu thập, tổng hợp và xử lý tài liệu hiện có: Tìm hiểu, tổng hợp, phân
tích và đánh giá các tài liệu hiện có để tiếp thu và kế thừa các kết quả nghiên cứu trước
đây liên quan đến công trình ngầm đào vùng phay phá đứt gãy.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp mô hình hóa bằng phần
mềm Flac3D: xây dựng mô hình so sánh các kích thước khoảng cách giữa công trình

ngầm tới phay phá đứt gẫy.

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Xác định khoảng cách giữa gương công trình ngầm với phay phá đứt gẫy.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu ứng suất, và vùng phá hủy dẻo xung quanh công trình ngầm với các
kích thước khoảng cách khác nhau giữa công trình ngầm tới phay phá đứt gẫy.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHAY PHÁ ĐỨT GẪY

1.1. Khái niệm về phay phá, đứt gẫy
Phay phá, đứt gẫy (còn gọi là biến vị, đoạn tầng hoặc phay) là một hiện
tượng địa chất liên quan tới các quá trình kiến tạo trong vỏ trái đất. Khi đá bị ngoại
lực (lực kiến tạo) tác dụng trong đá xuất hiện ứng lực. Khi ứng lực vượt quá một giới
hạn nào đó (gọi là giới hạn bền), đá bị biến dạng và phá hủy, trong đá xuất hiện các
mặt nứt gọi là các khe nứt. Nếu dọc theo các mặt nứt này các khối đá bị nứt ra, dịch
chuyển tương đối với nhau thì được gọi là phay phá đứt gẫy (fault). Vậy phay phá đứt
gẫy là sản phẩm biến dạng của đá, là một mặt hoặc một đới, dọc theo mặt hoặc đới ấy
có hiện tượng dịch chuyển theo phương song song với mặt hoặc đới đó. Khối đá ở hai

phía của đứt gẫy gọi là hai cánh của đứt gẫy (wall block). Phay phá đứt gẫy phát triển
chủ yếu theo không gian hai chiều, tức là một dạng cấu tạo mặt, thể hiện trên địa hình
là một đường; đường này là giao tuyến của mặt đứt gẫy với mặt địa hình. Hình chiếu
trên mặt phẳng nằm ngang của giao tuyến giữa mặt đứt gẫy và mặt địa hình thường
được gọi là đường đứt gẫy [9].
Nếu cấu trúc đứt gẫy không phải chỉ có một mặt trượt mà là một đới mặt trượt
theo các sản phẩm biến dạng khác, thì gọi là đới đứt gẫy (fault zone). Nếu đới đứt gẫy
không phải là các mặt trượt mà là một đới khe nứt cắt uốn cong dạng nếp oằn thì gọi là
đới trượt dẻo hoặc đới cắt dẻo (dectile shear zone).

Hình 1. 1. Các đới đứt gẫy
a) Đứt gẫy một mặt trượt; b) Đới đứt gẫy có nhiều mặt trượt; c) Đới trượt (cắt) dẻo;
1. Cánh nằm; 2. Cánh treo. [9]

Sự hình thành các phay phá, đứt gẫy địa chất có thể chứa bùn, sét, nước và các
thành phần phong hóa khi khai đào các công trình ngầm qua khu vực này gây sập đổ,


5

tai nạn trong thi công. Trong điều kiện phay phá, đứt gẫy các nhà nghiên cứu, thiết kế
phải đưa ra giải pháp xử lý thi công thích hợp và cần thiết để tiến hành khai đào công
trình ngầm.
Các loại đứt gẫy đặc biệt

1.1.1. Lineman
Lineamen (leneament) hay đường kẻ hành tinh là khái niệm do W. Hobbs,
1904, đề xuất. Lineamen là đới đứt gẫy rất lớn, cỡ hành tinh. Nghĩa là chúng có thể cắt
qua một vài châu lục, có bề rộng hàng chục, thậm chí hàng trăm km. Đặc điểm của
Lineamen là có lịch sử phát triển lâu dài, có biểu hiện hoạt động lặp đi lặp lại nhiều lần

là đới xung yếu của vỏ Trái Đất, nơi sụt lún vào các thời kỳ địa chất khác nhau để tạo
thành các bồn địa trầm tích Trái Đất, nơi sụt lún vào các thời kỳ địa chất khác nhau để
thành tạo các bồn địa trầm tích dọc theo nó, nơi vỏ Trái Đất khi căng giãn, thuận lợi
cho magma xâm nhập và phun trào núi lửa, khi ép nén gây uốn nếp, biến dạng đá dọc
theo nó. Đây cũng là đới các đá bị biến chất động lực, biến chất nhiệt động, biến chất
trao đổi,… rất phức tạp.
Nhiều nhà địa chất cho rằng Lineamen là sản phẩm động học do Trái Đất quay
xung quanh trục của nó gây ra. Hiện tượng này biến Trái Đất từ hình cầu chuyển dần
sang hình elipxoit; giao tuyến của hai hình này chính là các đới Luneamen Tây
Bắc/Đông Nam và Đông Nam/Tây Bắc.

1.1.2. Đứt gẫy sâu
Đứt gẫy sâu (deep fault) là thuật ngữ thường được dùng ở Liên Xô (cũ) và một
số nước Đông Âu trong khi những cấu trúc tương tự như vậy được các nhà địa chất
Tây Âu gọi là Luneamen. Cũng có người lại cho rằng Lineamen chính là đứt gẫy sâu
liên quan với hiện tượng quay của Trái Đất xung quanh trục của nó.
Theo A. V. Peive, 1945, thì đứt gẫy sâu là những đứt gẫy có chiều dài lớn, phát
sinh rất sâu trong lòng đất, có lịch sử lâu dài, nhiều pha với hướng vận động khác nhau
và có vai trò quá trình trong việc hình thành các đới xâm nhập và phun trào, các dải
địa máng, các đai uốn nếp, các đới sinh khoáng,….
* Theo V. A. Đêđêev và nnk, 1963, chia đứt gẫy sâu ra làm 3 loại.
- Loại thứ nhất: gọi là kiểu đứt gẫy sâu Saligen (Salic), đó là các đứt gẫy sâu
liên quan với lớp granit của vỏ Trái Đất, nghĩa là chúng có thể đạt tới mặt trên của
Conrad, còn gọi là các đứt gẫy sâu đến lớp granit, ứng với độ sau từ 10 30 km.


6

- Loại thứ hai: gọi là đứt gẫy sâu kiểu Simagen (Sima), đạt đến lớp bazan của
vỏ Trái Đất, còn lại là đứt gẫy sâu đến bazan ứng với độ sâu từ 10 15 km đến 50 70

km.
- Loại thứ ba: là các đứt gẫy sâu đến manti, ứng với độ sâu từ 50 700 km.
* Theo I. N. Tomson, 1993, chia đứt gẫy sâu ra làm 5 cấp theo quy mô của
chúng.
- Cấp I: đứt gẫy sâu kéo dài hàng chục ngàn km nằm giữa lục địa và đại dương.
- Cấp II: đứt gẫy sâu kéo dài hàng ngàn km nằm giữa lục địa và đại dương
- Cấp III: kéo dài vài ngàn km ngăn cách các miền hoặc hệ uốn nếp hoặc các
nền.
- Cấp IV: khoảng 1000 km ngăn cách phức hoặc đại phức nếp lồi, nếp lõm.
- Cấp V: vài chục tới vài trăm km cắt qua khối nâng hoặc miền võng trong
phạm vi phức nếp lồi hoặc phức nếp lõm.
* Theo V. A. Aprrođov, 1964, chia đứt gẫy sâu ra các nhóm đứt gẫy sâu cỡ hành
tinh cắt qua vỏ lục địa và manti, nhóm đứt gẫy sâu cỡ hành tinh cắt qua vỏ đại dương
và manti.
* Theo V. E. Khain, A. E. Mikhailov, 1985 chia đứt gẫy sâu ra làm ba cấp.
- Cấp thứ nhất: các đứt gẫy sâu là ranh giới của các mảng thạch quyển chính.
- Cấp thứ hai: Giới hạn các mảng nhỏ và vi mảng
- Cấp thứ ba: là tất cả các đứt gẫy sâu khác trong phạm vi lục địa hoặc đại
dương.

1.1.3. Đới rift
Đới rift (rift zone) là đới tách giãn. Cơ chế vận động ở đới này là sự tách giãn
của vỏ Trái Đất. Thuật ngữ rift là do J. Gregory đưa ra từ cuối thế kỷ XIX khi ông
nghiên cứu ở Đông Phi. Loại cấu trúc rift có quy mô lớn nhất là các đới sống núi giữa
đại dương (ridge), nơi vỏ Trái Đất bị tách giãn mạnh mẽ, trở thành các ranh giới tách
giãn của các mảng (drivergent plate boundaries), nơi hình thành lớp vỏ mới của Trái
Đất.
Các cấu trúc rift điển hình thường liên quan tới cấu trúc ba chạc hoặc chạc ba
(triple junction), tức là cấu trúc gồm có ba nhánh xuất phát từ một trung tâm, hình
thành do quá trình biến dạng của vỏ Trái Đất.

7

Hình 1. 2. Đới Rift
Cấu trúc ba chạc và điểm nóng (H); b) Cấu trúc ba chạc Nam Hải Nam;
c) Cấu trúc ba chạc Đông Phi [9]

1.1.4. Đứt gẫy biến dạng
Đứt gẫy biến dạng (transforom faults) do J. T. Wilson đề xuất năm 1965, là đứt
gẫy trượt ngang lớn làm dịch chuyển sống núi giữa đại dương (middle oceanic ridge),
là ranh giới trượt ngang (cosnervative plate boundaries) giữa các mảng, ở đó không
xảy ra hiện tượng tách giãn hoặc chờm núi. Các đứt gẫy biến dạng cũng có những đặc
điểm khác biệt so với đứt gẫy trượt bằng (strike slip faults) thường gặp trên đất liền.
Quá trình hình thành đứt gẫy kiểu này có thể xảy ra hai trường hợp. Trường hợp
thứ nhất, sự dịch chuyển dọc theo đới xung yếu đi kèm với hiện tượng mở rộng tách
giãn tạo rift ở sống núi giữa đại dương thì đới xung yếu đó được gọi là các đứt gẫy
biến dạng (transform faults); trường hợp thứ hai nếu không có hiện tượng mở rộng các
cấu tạo rift thì người ta gọi chúng là các đứt gẫy trượt bằng hoặc trượt ngang
(transcurent faults)

Hình 1. 3. Mô hình giải thích quá trình thành tạo đứt gẫy biến dạng
và các cấu trúc liên quan. [9]


8

Hình 1. 4. Đứt gẫy biến dạng và đứt gẫy trượt bằng [9]

1.1.5. Đứt gẫy trượt bằng

Đứt gẫy trượt bằng (wrench faults, strike slip faults) là những đứt gẫy lớn, có
hiện tượng dịch chuyển theo phương nằm ngang với cự ly rất khác nhau. Nếu nhìn
bình đồ, thấy phía trên bị trượt sang bên phải thì gọi là đứt gẫy trượt bẳng phải
(dextral), nếu thấy chúng trượt sang bên trái thì gọi là đứt gẫy dịch bằng trái (sinistral).
Cách gọi tên như vậy dùng cho tất cả các loại đứt gẫy có hiện tượng dịch chuyển
ngang hoặc gần như ngang.

Hình 1. 5. Đứt gẫy F1 [9]

Đứt gẫy trượt bằng có quy mô và biên độ trượt khác nhau, từ nhỏ đến lớn. Về
mặt động học các đứt gẫy trượt bằng nói chung liên quan với các mặt có ứng suất tiếp
cực đại trong biến dạng.

Hình 1. 6. Các vùng trong đứt gẫy
a) Vùng ép trượt (a), tách trượt (b);
b) Trũng kéo doãng; c) Vùng uốn nếp hoặc đứt gẫy [9]


9

1.1.6. Đới trượt
Đới trượt, đới cắt, cắt trượt hay đới dịch trượt (shear zone) là đới biến dạng dẻo
hoặc biến dạng dòn, thường xuất hiện thành đới trong khối đá không bị biến dạng.
Hiện tượng đứt gẫy do biến dạng dòn chỉ xảy ra đến độ sâu khoảng 10 ÷15 km trong
vỏ Trái Đất. Dưới độ sâu thì tính chất vật lý của đá bị biến đổi. Do nhiệt độ và áp suất
tăng lên, tính dòn của đá dần dần chuyển sang tính dẻo và quá trình biến dạng đàn hồi
của đá có thể chuyển thành biến dạng dẻo.

Hình 1. 7. Sự chuyển tiếp từ đứt gẫy dòn sang đới cắt dẻo theo độ sâu ( R. G. Park, 1983)
1. Vùng biến dạng dòn; 2. Vùng biến dạng dẻo [9]

1.1.7. Đứt gẫy vòng
Đứng gẫy vòng (ring faults) là một dạng của cấu tạo vòng (ring structues) có
đặc điểm là đường phương của đứt gẫy thấy được trên bình đồ có dạng vòng tròn khép
kín hoặc không khép kín; thường xuất hiện thành một đới ít nhiều sóng lượn theo
nhau. Các đứt gẫy vòng có thể liên quan với cấu tạo nâng dạng vòm, cấu tạo sụt lún
dạng trũng núi lửa.

Hình 1. 8. Các kiểu đứt gẫy vòng
a) Liên quan đến cấu trúc họng núi lửa. 1. Đứt gẫy vòng;2. Rìa địa hình;
b) Đứt gẫy dạng cung ép; c) Đứt gẫy dạng cung căng [9]


10

1.2. Phân loại đứt gẫy dựa vào tính chất dịch chuyển của các cánh
1.2.1. Đứt gẫy thuận
Đứt gẫy thuận (normal faults) là đứt gẫy có mặt đứt gẫy (mặt trượt) nghiêng về
phía đá bị trụt xuống. Như vậy đứt gẫy thuận là đứt gẫy có cánh treo (cánh nằm trên
mặt trượt) trượt xuống phía dưới so với cánh nằm. Trong mặt cắt thẳng đứng vuông
góc với đường phương của mặt đứt gẫy, đứt gẫy thuận có các yếu tố sau:
A: là cánh trồi (cánh nằm)
B : Cánh trụt (cánh treo)

Hình 1. 9. Các yếu tố cơ bản của đứt gẫy thuận ( A. E. Mikhailov, 1973) [9]

Trong đó : CD là giao tuyến của mặt trượt và mặt cắt
CE là hướng dốc
Góc là góc dốc
a1 – b1: Cự ly theo mặt trượt

a1 – b2: Cự ly thẳng đứng
b1 – b2: Cự ly nằm ngang
b1 – a2: Giãn cách thẳng đứng
b2 – a3: Giãn cách ngang
b1 – a4: Cự ly địa tầng.
* Phân loại đứt gẫy thuận:
- Dựa vào hình dạng mặt đứt gẫy:
Trong một số trường hợp góc dốc của mặt trượt ngay trong một đứt gẫy cũng
thay đổi thường là thoải dần theo hướng từ trên xuống dưới. Ở phân dốc mó mặt trượt
uốn cong gọi là đứt gẫy (thuận) dốc (listric normal fault). Tiếp tục xuống sâu mặt đứt
gẫy thoải dần đến gần như nằm ngang gọi là đứt gẫy đáy (detachment fault) được xem
như ranh giới giữa phần bị biến dạng (nằm trên) với các đứt gẫy phân cắt cánh treo


11

thành các khối dạng vẩy hoặc bán địa hào (half grabens) và phần không bị biến dạng.
Các đứt gẫy dạng vẩy phát triển cùng hướng với đứt gẫy thuận chính (main normal
fault) gọi là đứt gẫy thuận thứ cấp thuận hướng (subsidiary synthetic normal faults).

Hình 1. 10. Đứt gẫy thuận có mặt trượt thay đổi độ dốc
1. Đứt gẫy chính; 2. Đứt gẫy thuận dốc; 3. Đứt gẫy đáy; 4. Các đứt gẫy thuận thứ cấp
thuận hướng; 5. Địa lũy; 6. Địa hào; 7. Các đứt gẫy dạng thứ cấp nghịch hướng; 8. Bán
địa hào - địa hào chữ Y [9]

- Phân loại dựa theo độ lớn của góc dốc mặt trượt
Với các đứt gẫy thuận có góc dốc mặt trượt không đổi, người ta phân ra các loại
sau đây:
+ Đứt gẫy thoải với < 300.
+ Đứt gẫy dóc khi 300<< 800.

+ Đứt gẫy dốc đứng > 800. Những đứt gẫy có = 900 được quy ước là đứt gẫy
thuận đứng.
- Phân loại dựa vào quan hệ giữa đường phương của mặt đứt gẫy và đường
phương của cấu trúc khu vực, cấu trúc uốn nếp.
Trường hợp này cũng giống như phân loại khe nứt, người ta chia đứt gẫy có
phương đứt gẫy (thuận) dọc (strike, longitudinal (normal) faults): là những đứt gẫy có
phương mặt đứt gẫy song song với phương của các lớp đá bị phá hủy hoặc song song
với phương của trục nếp uonns.
Đứt gẫy (thuận) ngang (cross (dip, transverse) faults): là những đứt gẫy (thuận)
có phương của mặt trượt vuông góc với phương của trục nếp uốn.
Đứt gẫy (thuận) chéo (diagonal, oblique (normal) faults): là những đứt gẫy có
phương của mặt đứt gẫy cắt chéo phương của trục nếp uốn.


12

- Phân loại dựa vào quan hệ giữa hướng dốc của mặt đứt gẫy và hướng dốc của
mặt lớp, mặt phiến.
Dựa vào quan hệ nói trên người ta chia làm 2 loại: loại có mặt trượt và mặt lớp
đổ cùng về một phía gọi là đứt gẫy thuận hợp (hoặc chỉnh hợp) và loại có mặt trượt và
mặt lớp đổ về hai phía khác nhau gọi là đứt gẫy thuận không hợp (không chỉnh hợp).
Giữa hai loại này có loại trung gian, cánh này thế nằm của lớp phù hợp, cánh kia
không phù hợp với mặt đứt gẫy.

Hình 1. 11. Các loại đứt gẫy
a) Các loại đứt gẫy thuận chỉnh hợp; b) Không chỉnh hợp; c) Trung gian [9]

- Phân loại dựa vào hướng dịch chuyển của các cánh:
Dựa vào hướng dịch chuyển của các cánh người ta chia ra như: đứt gẫy thuận
xuôi nếu xác định được cánh treo dịch chuyển xuống dưới hoặc cánh nằm không dịch

chuyển. Đứt gẫy thuận ngược nếu xác định được cánh nằm dịch chuyển lên trên hoặc
cánh treo không dịch chuyển và loại đứt gẫy thuận có hai cánh cùng dịch chuyển.

Hình 1. 12. Phân loại đứt gẫy thuận theo sự dịch chuyển của các cánh ( mặt cắt) [9]

1.2.2. Đứt gẫy nghịch
Đứt gẫy nghịch (reverse faults) là đứt gẫy có mặt đứt gẫy nghiêng về cánh bị
trồi lên, tức là đứt gẫy có cánh treo được đẩy lên cao hơn dẫn tới đá cổ lại nằm trên đá


13

trẻ. Đứt gẫy nghịch thể hiện trong một số mặt cắt dọc theo lỗ khoan bới sự lặp lại của
các địa tầng.
Đứt gẫy nghịch có các yếu tố cơ bản sau đây:

Hình 1. 13. Các yếu tố cơ bản của đứt gẫy
a) Đứt gẫy nghịch (mặt cắt); b) Các yếu tố cơ bản của đứt gẫy nghịch [9]

A: Cánh trụt hoặc cánh nằm
B: Cánh trồi hay cánh treo
CD: Giao tuyến của mặt đứt gẫy và mặt cắt
Góc ECD = : Góc dốc của mặt đứt gẫy.
a1 – b1: Cự ly dịch chuyển theo mặt trượt
a1 – b2: Cự ly dịch chuyển thẳng đứng
b1 – b2: Cự ly dịch chuyển nằm ngang
b1 – a2: Giãn cách ngang
a1 – b3: Giãn cách đứng
a1 – b4: Cự ly dịch chuyển địa tầng.
* Phân loại đứt gẫy nghịch:

Về cơ bản phân loại đứt gẫy nghịch có thể tiến hành như đối với đứt gẫy thuận.
Có thể dựa vào góc dốc của mặt đứt gẫy để phân chia ra các loại đứt gẫy thoải, dốc, rất


14

dốc theo những khoảng độ nhất định tùy thuộc vào các tác giả khác nhau. Một số nhà
địa chất xem các đứt gẫy có góc dốc mặt đứt gẫy nhỏ hơn 45 0 là đứt gẫy thoải (low –
angle faults). Nếu là đứt gẫy nghịch thì gọi là đứt gẫy chờm nghịch (thrust faults) và
nếu là đứt gẫy thuận thì gọi là đứt gẫy thuận thoải.

Hình 1. 14. Các loại đứt gẫy nghịch
a) Chỉnh hợp; b) Không chỉnh hợp; c) Trung gian [9]

1.3. Cách nhận biết và đặc điểm đất đá xung quanh đứt gãy
Những dấu hiệu khi găp đứt gãy là: [10]
- Các đá nằm cạnh nhau có khác biệt nhau về thế nằm hoặc thời gian thành tạo tuổi của
đá
- Có dăm kiến tạo, mặt trượt dọc theo đới phá hủy
- Xuất hiện những nguồn lộ nước nóng có độ khoáng hóa cao, các điểm tích tụ quặng
- Ranh giới của các miền trường có đặc tính khác nhau như cường độ, cấu trúc
Đặc điểm đất đá xung quanh đứt gãy là:
- Đất đá xung quanh đứt gãy thường phân hủy nứt nẻ mạnh, vỡ vụn, cà nát. Đứt gãy
cũng có thể coi là vùng có mạng khe nứt dày đặc, độ bền của đất đá vùng này giảm
hẳn so với các vùng khác trong khối đá thậm chí có khi phải xem như là đất đá rời rạc;
- Xung quanh đứt gãy thường tồn tại các vùng có quy luật phân bố ứng suất đặc biệt;
- Trong các phay phá, đứt gãy có thể chứa bùn, sét, nước và các thành phần phong hóa
khi thi công các công trình ngầm qua khu vực này gây sập đổ, tai nạn trong khi thi
công;
- Chúng có tác động đến mức độ ổn định của công trình ngầm tùy thuộc vào thế nằm

so với trục của công trình ngầm;
Đặc điểm của quá trình vò nát đất đá.
Sự vò nát có thể xuất hiện trong cả đá và đất, kéo dài sự tương tự như sự kết
hợp đặc biệt của việc sinh ra các ứng suất và các tính chất của vật liệu tập trung vào


15

một số vùng nào đó xung quanh hầm kéo dài tới giới hạn của ứng suất cắt mà tại đó
hiện tượng từ biết bắt đầu.
Quy mô của sự tập trung ứng suất vào hầm kết hợp với hiện tượng vò nát, tốc
độ biến dạng và mở rộng của vùng chịu uốn xung quanh hầm là tùy thuộc vào những
điều kiện của địa chất, những ứng suất ở thực địa có quan hệ với cường độ khối đá,
dòng nước ngầm, áp lực kẽ rỗng và các chỉ tiêu của đá.
Sự vò nát những khối đá có thể xuất hiện như vò nát đá nguyên khối, cũng như
vò nát những đoạn đá bị nứt được lấp đầy chất nhét hoặc dọc theo những mặt phân lớp
và phân phiến, những vết nứt và những đứt gẫy.
Sự vò nát là đồng nghĩa với sự vượt ứng suất và không bao gồm những biến
dạng do hiện tượng trùng ứng suất như có thể xuất hiện ở nóc hầm, ở những vách hầm
trong những khối đá có khe nứt. Hiện tượng đá nổ không thuộc về vò nát.
Sự vò nhàu phay phá có quan hệ chặt chẽ đối với công đoạn đào, kỹ thuật
chống đỡ và các công việc trong quá trình thi công đường hầm. Nếu việc đặt kết cấu
chống đỡ bị chậm, khối đá dịch chuyển vào trong hầm và sự phân bố lại ứng suất sẽ
xảy ra xung quanh hầm. Ngược lại, nếu sự biến dạng của đá bị chặn lại bởi kết cấu
chống giữ, đất đá vò nát sẽ tạo ra tải trọng tác dụng lên kết cấu chống đỡ.


16
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA PHAY PHÁ ĐỨT GẪY
ĐẾN THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM

2.1. Tổng quan về những sự cố rủi ro trong thi công qua vùng đất
đá phay phá đứt gãy

2.1.1. Các dạng sự cố rủi ro trong xây dựng công trình ngầm qua
phay phá đưt gãy
a. Sự cố phá hủy công trình
Những năm gần đây, kỹ thuật công nghệ trong lĩnh vực xây dựng công trình
ngầm đã đạt được những kết quả vượt bậc, đặc biệt là thi công công trình ngầm qua
những điều kiện địa chất phức tạp, địa chất yếu. Có rất nhiều các công trình được xây
dựng qua vùng địa chất yếu thành công, an toàn và hiệu quả, tuy nhiên cũng có những
công trình xảy ra các sự cố trong thi công để lại các hậu quả rất lớn và chi phí để khắc
phục tai biến kỹ thuật là rất lớn và chất lượng công trình là không đảm bảo. Do đó
công tác phân tích, nghiên cứu biện pháp thi công, phòng ngừa các sự cố trong xây
dựng công trình ngầm là rất cần thiết.

 Sự cố phá hủy nóc công trình
Sự cố ở nóc công trình là những phá hủy đất đá phía nóc công trình, đất đá phía
nóc bị sụt lở xuống khoảng không gian ngầm, tạo thành các hang, khoảng hở trên phía
nóc.

 Sự cố phá hủy sườn công trình
Các công trình thi công qua các khe nứt đứt gẫy lớn, công tác khai đào tách bóc
đất đá tạo ra các hang ở bên sườn hầm phá hủy gây mất ổn định cho công trình và an
toàn cho người lao động.

 Sự cố phá hủy gương hầm
Các dạng sự cố phá hủy tạo ra các khoảng trống trên nóc và sườn công trình hay
các dạng sụt lở gương, phá hủy phần nền, nước chảy vào công trình...

 Sự cố phá hủy kết cấu chống giữ
Các đoạn hầm thi công xong do kết cấu chống giữ không đạt yêu cầu, đơn vị thi
công không có các biện pháp gia cường, quá trình biến dạng dịch chuyển của đường hầm
gia tăng vượt qua giới hạn cho phép và kèm theo các dấu hiệu như lưu lượng nước ngầm
tăng dần thì dễ xảy ra sự cố phá hủy công trình.
b. Sự cố phá hủy đến các công trình lân cận khác


17

 Sự cố sụt lở lên đến mặt đất
Do tác động từ công tác thi công khai đào, hiện tượng sụt lún xuất hiện lên tận mặt
đất. Đối với công trình thi công gần mặt đất, có lớp phủ mỏng, công tác gia cố khối đất đá
xung quanh công trình trước khi đào chưa đảm bảo, trong khối đất đá nguyên khối tồn tại
những lỗ rỗng... quá trình khai đào phá hủy trạng thái ứng suất nguyên sinh, tạo ra trạng
thái ứng suất mới, khối đất đá bị nén chặt lại, chèn lấp những lỗ rỗng hoặc khối đất đá bị
sụt lở xuống khoảng không gian ngầm từ đó xuất hiện hiện tượng sụt lở lên đến mặt đất.

Hình 2. 1. Phá hủy khối đất đá trước gương [10]

Nói chung, khi thi công công rình ngầm trong khối đá yếu, phức tạp có thể xuất
hiện các hiện tượng mất ổn định khác nhau.

2.2. Một vài sự cố trong xây dựng công trình ngầm qua phay phá ở Việt Nam
2.2.1. Sự cố đứt gẫy FA mỏ Mạo Khê
Đứt gẫy FA mỏ than Mạo Khê chạy theo phương Tây-Đông cắm Bắc với góc dốc
780÷820. Đứt gẫy này cắt qua hầu hết các đường lò xuyên vỉa ở khu mỏ ở các mức
+30, -25 và -80. Đới phá hủy của đứt gẫy rộng khoảng 25 m. Đất đá phân bố trong đứt
gẫy chủ yếu là sạn, cát, sét bùn, than. Lượng bùn sét chiếm tới 60÷65 % rất dính có thể
nhào nặn được. Lượng nước ở đây khá lớn, lưu lượng ước tính khoảng 20÷30 m3/h và

chảy ra liên tục ở nóc và hông lò. Khu vực này lò bị sập lở mạnh nhất là lở nóc và lở
hông. Ngoài ra còn có hiện tượng lún mạnh, các vì chống sắt bị uốn cong hoặc nén lún
gần hết ảnh hưởng công tác đào lò qua khu vực này rất khó khăn.
Giải pháp xử lý: phay FA mức -80 mỏ than Mạo Khê là phay cát chảy nên không
áp dụng được biện pháp gia cố thông thường như chèn nhói, gia cường dầm ray mà
phải sử dụng phương pháp bơm ép vữa xi măng gia cường vùng đất đá bao quanh rồi
mới tiến hành đào chống bình thường (đào bằng khoan nổ mìn, chống lò bằng vì
chống sắt CBII). Công tác bơm ép vữa được tiến hành khoan các lỗ khoan gia cường


18

có đường kính khoảng Φ105 mm tính từ mặt địa hình xuống phía nóc lò mức -80, sau
đó tiến hành bơm ép vữa xi măng từ trên xuống.

2.2.2. Sự cố đào lò xuyên vỉa mức - 35 qua phay FC khu Lộ Trí mỏ than
Thống Nhất
Theo tài liệu khoan thăm dò thuộc dự án khai thác hầm lò xuống sâu khu Lộ Trí
Công ty than Thống Nhất thì đường lò xuyên vỉa mức -35 đào từ phía giếng chính khi đi
được 58 m gặp phay FC. Đặc điểm của phay FC như sau: biên độ phay tương đối lớn
khoảng 15,6 m; thành phần nham thạch xung quanh vùng phay phá chủ yếu là đất đá
cuội kết, cát kết nằm xen kẽ nhau và vò nhàu; đặc biệt xuất hiện nước chảy ra rất lớn với
lưu lượng khoảng 100 ÷110 m3/h, phương vị của phay FC theo hướng dốc là 2300.
Giải pháp xử lý: tại gương lò xuyên vỉa mức -35 tiến hành khoan tháo nước có áp
bằng 03 lỗ khoan cách gương 13,5 m về phía nóc lò. Mỗi lỗ khoan dài 30 m có đường
kính 76 mm được lồng ống chống đường kính 70 mm, hướng khoan tạo với trục lò
xuyên vỉa mức -35 là 28 0. Sau khi khoan tháo khô xong tiến hành đào bằng phương
pháp khoan nổ mìn và chống bằng vì sắt CBII-27 bước chống 0,5 m/vì.

2.3. Ảnh hưởng của phay phá đến thi công công trình ngầm

Khi thi công hầm qua vùng phay phá sẽ dẫn đến rất nhiều ảnh hưởng đáng kể cho
công tác thi công hầm.
Phải đình chỉ công tác đào hầm vì đất bùn từ nóc hầm và gương hầm tràn ra lấp
gương đào làm gián đoạn chu kỳ đào hầm
Có những đường hầm (cửa Nam đường hàm Hải Vân 9-2001, đường lò xuyên Tây
Bắc 1 mức 80 tháng 3/1996 hàng ngàn mét khối bùn đất lấp đầy đường hầm tại khu
vực đất đá bị vò nhàu, phay phá, phải thu dọn.
Phải thiết lập công nghệ phù hợp đào hầm qua phay phá do đất đá gương hầm thay
đổi theo chiều hướng xấu đi nên phải thay đổi công nghệ đào hầm.
Kết cấu chống hầm cũng phải thay đổi cho phù hợp với điều kiện đất đá gương. Cần
thiết sử dụng kết cấu chống nhiều lớp có khả năng giữ ổn định gương đào và cách nước
(chống tạm bằng vì thép hoặc bê tông phun, chống cố định bằng vỏ bê tông liền khối).
Tốc độ đào hầm qua phay phá rất chậm, có những công trình thi công chỉ đạt tốc
độ 2-5 m/tháng.
Giá thành mét hầm đào qua phay phá tăng từ 2.5 ÷ 3 lần so với đào hầm qua đất đá
ổn định.


19
2.4. Những giải pháp thường áp dụng khi thi công hầm qua vùng
đất phay phá vò nhàu

Hiểu biết về những rủi ro có thể xảy ra trong quá trình đào hầm đóng một vai trò
quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp đào và thiết kế hệ thống chống đỡ cho
những khối đào ngầm, phạm vi đào hầm có thể ổn định chịu đựng được hoặc bị vò nát
và sụp đổ là tùy thuộc vào ứng suất xuất hiện ở hiện trường và cường độ của khối đá.
Một khối đá yếu ứng suất vượt quá sẽ phải chịu trạng thái vò nát được thể hiện bằng
trạng thái nổ của đá, về mặt khác khi ứng suất không vượt quá thì trạng thái đất đá
được coi như ổn định, tự chịu đựng được, không bị vò nát.
Việc đào hầm có thể gặp hai tình thế:

-

Không yêu cầu chống đỡ tức là tự ổn định
- Trạng thái đất đá bị vò nát được phân loại thành bốn loại dựa trên cơ sở là khẩu
độ cho phép về đường hầm, do Hoek lập ra 2001 đó là trạng thái đất đá bị vò nát ít,
nhiều , rất nhiều, và cực kì nhiều. Kinh nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng việc đào
đường hầm đi qua trạng thái đất đá bị vò nát là một quá trình rất chậm và nguy hiểm
bởi vì khối đá xung quanh hầm mất đi cường độ hiện có do ảnh hưởng của ứng suất
hiện trường, điều này có thể gây ra là do tập trung ứng suất chống đỡ cao. Việc đào
đường hầm trong đất đá không bị vò nát thì tương đối an toàn và dễ là do cường độ
hiện có của khối đá được củng cố. Trong trường hợp đất đá đã bị vò nát có thể phải
đào theo hình thức phân đoạn, trước tiên đào hầm dẫn ở đỉnh hoặc hai biên với hệ
thống chống đỡ đủ sức chịu đựng.

2.4.1. Cược gương và nóc hầm (phương pháp cơ học)
Tại một số đường hầm, đường lò, khi gặp vùng đất bị vò nhàu và phay phá nhỏ
thì ta thường sử dụng phương pháp cơ học: Đóng chèn nhói (nhói tre, gỗ, sắt…)
Mục đích của việc đóng nhói là hạn chế sự sụt lở của đất đá bao quanh công trình
và mặt gương chiều dài của nhói và mặt độ đóng nhói phụ thuộc và kích thước của
vùng phay phá và vò nhàu.

2.4.2. Phương pháp ép vữa
Nguyên tắc gia cố hóa lớp đá vò nát là việc ép dưới áp lực cao vào đá các vữa
được lập từ một hay một số thành phần mà khi trộn vào sẽ tạo trong các lỗ rỗng của đá
các keo làm cho đá đạt độ bền và độ chống thấm yêu cầu.
Việc ép các vữa gia cố vào được tiến hành dưới áp lực qua kim phụt, đó là các


20

ống chuyên dụng có đục lỗ và các măng sét cao su đậy các lỗ mà các vữa ép sẽ đi qua
và ngăn không cho các lỗ này không bị bẩn do các hạt đất khi các kim này cắm sâu
vào trong khối đá bị vò nát.

a. Trước khi đào
-

Phụt vữa tạo tường bê tông để làm phàn áp khi phụt vữa ngăn dòng thấm có áp lực cao
(Khoan phụt trước khi đào): Khoan phụt áp lực trong đá được thực hiện bằng cách
khoan các lỗ khoan có đường kính, chiều dài và hướng thích hợp vào trong khối đá,
lắp đặt các nút chặn gần miệng lỗ khoan (hoặc bàng phương tiện khác miễn là tạo
được một sự liên kết kín áp với lỗ khoan), lắp ống bơm vữa nối giữa nút chặn và máy
bơm, rồi tiến hành bơm một lượng vữa trộn sẵn với áp lực cao vào các khe nứt và kẽ
hở trong đá xung quanh các lỗ khoan để ngăn dòng thấm.

-

Phụt vữa gia cường khối đất đá trong lớp đứt gẫy chống hiện tượng bục nóc sinh ống
khói (Phụt vữa trước khi đào): Việc gia cố phun bê tông lấp đầy để chống hiện tượng
bục nóc sinh ống khói cũng sử dụng loại bê tông, máy móc như việc phụt vữa bê tông
như bình thường nhưng dùng áp lực nhỏ từ 2-3at. Ở đây ta dùng áp lực nhỏ là do để
tránh việc áp lực lớn sẽ gây ra sự sụp, vỡ nhiều hơn của đất đá so với thế nằm tự nhiên
của nó.

b. Trong khi đào
Sử dụng phun vữa bê tông kết hợp neo để giữ ổn định vách hầm: Neo không
những có tác dụng chống sụt lở mà còn có tác dụng đưa cả khối đá bao quanh hầm vào
làm việc. Biến nóc và vách hầm thành một kết cấu thống nhất có khả năng chịu tải lớn
hơn. Tính ổn định của hầm khi đó được đảm bảo do tăng tính ổn định của đất đá bằng

cách gia cố các lớp riêng rễ hoặc vùng phá hoại. Các neo được gia cố ra phía ngoài
vùng sụt lở, giữ nóc và vách hang từ phía khối đá do đó chúng không chiếm không
gian của hầm. Việc cắm neo đã giải quyết được cả vấn đề nứt nẻ do nổ mìn, cùng với
đó là ta tiến hành phun bê tông bằng máy phun áp lực cao (áp lực phun được tính toán
chi tiết và cẩn thận để không phá vỡ thế nằm tự nhiên của đất đá), với cường độ và tỷ
lệ nước/xi măng theo tính toán. Bê tông sau khi phun sẽ đông kết cùng với đất đá để
tạo một kết cấu vững chắc, tăng khả năng ổn định đối với đất đá, đồng thời sẽ xử lý bề
mặt, tạo bằng phẳng để các bước làm vỏ hầm cố định sau được dễ dàng và chuẩn xác
hơn.

2.4.3. Phương pháp thoát nước và gia cố vùng phay phá khi có chứa nước.
Hiện nay, nhiều công trình ngầm phải khai đào qua vùng có chứa nước, qua các


21

vùng đất đá mềm yếu ngập nước có áp hoặc không có áp. Trong trường hợp này, việc
khai đào công trình ngầm là hết sức khó khăn và chi phí rất lớn.
Khi thi công các công trình ngầm trong điều kiện ngập nước, người ta dùng biện
pháp thoát nước, hạ mực nước ngầm trước khi thi công. Những công trình gần mặt đất
thi công bằng phương pháp đào hở có thể thoát nước trực tiếp bằng các lỗ khoan từ
mặt đất. Với những công trình nằm sâu trong lòng đất người ta tiến hành khoan lỗ
khoan thoát nước có chiều dài khoảng từ 20m đến trăm mét, đường kính lỗ khoan ≥
100mm tùy thuộc vào điều kiện gương lò cụ thể sau đó nước được bơm lên mặt đất.

2.4.4. Phương pháp đóng băng nhân tạo
Bản chất của phương pháp là biến đất đá, cát từ trạng thái mềm yếu, chứa nước
thành trạng thái rắn cứng, liên kết chắc có độ bền cao. Vùng đất đá được đóng băng có
thể coi như rắn cứng và do đó có thể tiến hành việc khai đào bình thường.
Khi giảm nhiệt độ của cát đến mức độ làm nước đóng băng lại thì độ bền của

khối tăng lên. Nhiệt độ càng thấp thì độ bền của khối đá đóng băng càng lớn.

2.4.5. Phương pháp gia cường bằng hóa chất (nhựa tổng hợp)
Dung dịch hóa học có độ linh hoạt và xâm nhập cao trong đất đá nói chung và cát
nói riêng. Ngoài ra còn có hàng loạt các ưu điểm sau:
+ Có độ bám dính với các hạt gia cố cao;
+ Độ bền cơ học của khối gia cường lớn;
+ Thời gian đóng rắn dung dịch có thể điều chỉnh được nhờ các phụ gia thích
hợp;
+ Đất đá gia cường có khả năng chống thấm nước và thấm khí cao;
Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa chất nhiều dung dịch được đưa ra
vừa rẻ hơn vừa có đặc tính gia cường đất đá lại chống độc hại. Người ta đưa ra hàng
loạt chất hóa học và phương pháp kèm theo để đánh gia cường đất đá rời kém ổn định.
Một vài chất thường sử dụng trong phương pháp như sau: Cao su tổng hợp với
theremoplastic; Cao su Poliester với Catalyst therefor; Polyisocyanate free non-Shriak
Synthetic resin;…


22

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ MÔ HÌNH HÓA
XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH TỐI THIỂU TỪ CÔNG TRÌNH NGẦM
TỚI PHAY PHÁ ĐỨT GẪY
3.1. Tổng quan về phương pháp số và phần mềm FLAC 3D
Quá trình biến đổi cơ học và phương pháp số
Khi tách bóc đất đá để tạo khoảng trống ngầm sẽ phá vỡ trạng thái cân bằng tự
nhiên trong khối đá. Khi đó trạng thái ứng suất nguyên sinh bị biến đổi, trong khối đá
hình thành trạng thái ứng suất mới thỏa mãn các điều kiện cân bằng mới. Trạng thái
ứng suất hình thành trong khối đá xung quanh công trình ngầm sau khi khai đào được
gọi là trạng thái ứng suất thứ sinh. Sự hình thành trạng thái cân bằng mới này dẫn tới

những biến đổi cơ học trong khối đá dưới dạng các quá trình biến dạng, dịch chuyển
cũng như phá hủy. Các quá trình đó được gọi là các quá trình cơ học. Trạng thái ứng
suất thứ sinh cùng với các quá trình biến đổi cơ học là những dấu hiệu mới của trạng
thái cơ học mới của khối đá. Trạng thái cơ học này có thể là trạng thái dừng hay không
dừng. Trạng thái dừng là trạng thái không biến đổi theo thời gian, còn trạng thái không
dừng là trạng thái biến đổi theo thời gian.
Sự hình thành và biến đổi của trạng thái cơ học mới phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác nhau, trong đó có các yếu tố chủ yếu sau:
- Trạng thái cơ học ban đầu của khối đá bao gồm trạng thái ứng suất nguyên sinh
và các dấu hiệu cơ học trong khối nguyên;
- Đặc điểm địa chất, cấu trúc cũng như tính chất cơ học của khối đá;
- Các tai biến địa chất như phay phá đứt gãy, đới phá hủy, đới đứt gãy;
- Chiều sâu đặt công trình ngầm;
- Hình dạng cũng như kích thước của công trình ngầm; các tải trọng tác động vào
khối đá;


23

- Phương pháp cũng như biện pháp công nghệ được áp dụng khi tạo khoảng trống
công trình ngầm (như thi công bằng khoan nổ mìn hay thi công bằng máy, các biện
pháp gia cố bằng neo hay khoan phụt);
- Vị trí tương quan giữa các công trình ngầm.
Để nghiên cứu các quá trình cơ học trong khối đá bằng lý thuyết thường sử dụng
phương pháp giải tích và phương pháp số.
- Phương pháp giải tích là xác định quy luật phân bố của ứng suất, biến dạng, dịch
chuyển trong khối đá bằng cách giải một hệ các phương trình: phương trình cân bằng,
phương trình hình học, phương trình tương thích biến dạng, các điều kiện biên và các
phương trình vật lý (biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng). Cần chú ý là
các phương trình vật lý phụ thuộc vào mô hình cơ học được chọn cho khối đá. Tuy

nhiên phương pháp giải tích không cho phép giải được các bài toán có các điều kiện
biên phức tạp. Các kết quả nhận được từ các lời gải giải tích cho ở dạng nghiệm kín
của hệ các phương trình cơ bản, thường xuất phát từ những giả thiết đơn giản hoá, lý
tưởng hoá đối tượng nghiên cứu cũng như các điều kiện biên. Vì thế các kết quả ít có ý
nghĩa định lượng. Tuy vậy, các kết quả đó có giá trị lý thuyết cho phép có được nhận
định tổng quát về các diễn biến có thể xảy ra và đồng thời cũng là phương tiện kiểm
định độ chính xác và tính hợp lý cho các phương pháp số.
- Cho đến nay các phương pháp số đã được phát triển rất nhanh và mạnh. FLAC 3D
[11] là một trong các phương pháp thuộc nhóm sai phân hữu hạn FDM, cho phép tính
lặp tường minh (hiển) theo thời gian và đòi hỏi bộ nhớ máy tính không lớn, áp dụng
được cho môi trường có biến dạng lớn.
Hạn chế của các phương pháp số là chỉ cho kết quả gần đúng bằng số. Các kết quả
nhận được chỉ có ý nghĩa đối với trường hợp cụ thể được khảo sát và tất nhiên cũng
phải dựa trên một số giả định đơn giản hoá. Độ chính xác của các phương pháp này
phụ thuộc vào khả năng mô hình hóa đặc điểm cấu trúc địa chất, cách chia các phần tử
cũng như phương pháp tuyến tính hoá các phương trình vật lý. Tuy nhiên thông qua
phân tích tham số, vẫn có thể rút ra được các quy luật chung cho bài toán cụ thể.


24

Giới thiệu phần mềm FLAC

3D

FLAC3D (Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua) là phần mềm
do Cundall thuộc tập đoàn tư vấn ITASCA ( Fast lagrangian analysis of continua) bắt
đầu viết chương trình vào năm 1986 [11]. Sau 6 năm, tức là năm 1992 chương trình
mới được đưa vào sử dụng phổ biến trong tính toán thiết kế ngành mỏ, công trình
ngầm, công trình dân dụng. Phần mền sử dụng phương pháp số để phân tích mô hình,

thường dùng để mô hình hóa khối đất đá. Trong phần mền, miền khối đất đá được
nghiên cứu được phủ lên bởi mạng lưới sai phân. Vật liệu trong mỗi ô lưới có biểu
hiện cơ học tuyến tính hoặc phi tuyến tính, được mô phỏng bởi nhiều mô hình cơ học
khác nhau [11]. Tại các nút của ô các điều kiện liên tục biến dạng, cân bằng lực được
đảm bảo. Phần mềm viết trên cơ sở phương pháp sai phân hữu hạn. Phần mềm cho
phép có thể mô phỏng được các quá trình biến đổi địa cơ học trong khối đá, có chú ý
được các quá trình công nghệ. Quá trình tính toán, mô phỏng được thực hiện qua các
lệnh, do người sử dụng lập chương trình điều khiển.
Đặc điển lớn nhất của phần mền FLAC3D là tính toán phân tích được sự mất ổn
định vật lý của khối đất đá, các tham số hình học. Vì vậy đến nay FLAC 3D thường
được sử dụng để khảo sát quy luật ảnh hưởng của áp lực động khu lò chợ. Các bài toán
liên quan biến dạng lớn trong đất đá mềm yếu, sụt lún bề mặt sau khi khai thác, ổn
định bờ dốc, ổn định nền đất đá yếu, ổn đinh của đập nước.
Phần mềm cũng đã được phát triển để có thể thao tác sử dụng bằng các hộp
thoại hoặc viết ở dạng câu lệnh để chạy, kết quả tính toán có thể xem ở dạng ảnh có
màu sắc chỉ thị bao gồm hướng phân bố của các ứng suất chính σx, σy, τxy, các
chuyển vị Ux, Uy, phạm vi vùng dẻo, và cũng có thể xem kết quả bằng sử dụng các
lệnh để suất số liệu ra Excel từ đó có thể vẽ được các đồ thị tương ứng.…Giao diện
của phần mềm đơn giản, chủ yếu làm việc theo phương thức câu lệnh thể hiện trên
hình 3.1 [11]


25

Hình 3. 1. Giao diện phần mềm FLAC 3D

3.2. Lập mô hình và lựa chọn thông số đầu vào bài toán
Mô hình bài toán mô phỏng miền khảo sát có kích thước chiều cao 80m, rộng
90m, gồm 10 lớp đất đá, chiều dày các lớp đất đá được thể hiện trong bảng 3.1 và đứt
gẫy nghịch với góc dốc bằng 600 so với phương nằm ngang, kích thước chiều rộng của

phay bằng 1m, công trình ngầm (đường lò) được đào qua phay phá. Đường lò khảo sát
được để lưu không, có tiết diện hình chữ nhật nằm hoàn toàn trong lớp đất đá thứ 5 từ
dưới lên trên. Mặt trên mô hình cách mặt đất từ 200m đến 1000m, đặt tải trọng phân
bố đều trên mô hình, tải trọng này chính bằng tải trọng các lớp đất đá phía trên tác
dụng lên, trong mô hình giả sử các lớp đất đá phía trên đều có trọng lượng thể tích γ =

ρ.g = 25 kN/m3 khi đó tải trong tác dụng lên mặt trên của mô hình là p = γ.H . Mô hình
bài toán thể hiện trên hình 3.2.