Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐẶNG VĂN KIÊN

ĐẶNG VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN
KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM
ĐẾN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI– 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
ĐẶNG VĂN KIÊN

ĐẶNG VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN
KHI THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN

Ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm
Mã số: 9580204

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS.NGND.Võ Trọng HùngS.. Võ Trọng
Hùng

Hà Nội - 2018


i

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Mục lục

i

Lời cam đoan

iv

Lời cảm ơn

v

Danh mục các chữ viết tắt

vi

Danh mục các bảng

vii

Danh mục các hình vẽ

ix

Mở đầu

xv

Chương 1. Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công
đường hầm đến kết cấu chống các đường hầm lân cận
1.1. Tổng quan và định hướng nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ
mìn khi đào hầm đến công trình ngầm lân cận
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến
công trình ngầm lân cận trên thế giới
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến
công trình ngầm lân cận tại Việt Nam
1.4. Đánh giá chung về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
về hướng nghiên cứu của luận án

1

1

5

9

14

1.5. Những vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án

16

1.6. Kết luận Chương 1

18

Chương 2. Lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá và
phương pháp xác định sự ảnh hưởng của sóng nổ lên kết cấu đường

19

hầm lân cận
2.1. Tổng quan về các loại sóng chấn động gây ra do nổ mìn đào đường
hầm và đặc tính của chúng
2.2. Phương trình truyền sóng nổ trong môi trường đất đá đàn hồi, đồng
nhất và đẳng hướng

19

24


ii

2.3. Đặc tính tải trọng sinh ra do sóng nổ và đặc điểm làm việc của kết

cấu đường hầm dưới tác dụng của sóng nổ

28

2.4. Các phương pháp mô phỏng áp lực nổ khi nổ mìn tại gương hầm

31

2.5. Các thông số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn

39

2.6. Kết luận Chương 2

40

Chương 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công
đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm

42

lân cận thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường
3.1. Tổng quan về sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn tới môi trường

42

3.2. Nghiên cứu đo PPV, biến dạng khi thi công đường hầm Croix-Rousse

44

3.3. Các phương pháp đánh giá chấn động nổ mìn đến công trình lân cận

49

3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường
hầm lân cận khi nổ mìn tại gương hầm bằng phương pháp đo đạc thực tế
3.5. Khảo sát mối quan hệ giữa RMR của khối đá và các thông số K và
α trong công thức của Chapot

56

68

3.6. Kết luận Chương 3

79

Chương 4. Nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống

81

4.1. Tổng quan về các thông số động của khối đá và vỏ chống

81

4.2. Phương pháp xác định các thông số động của khối đá và kết cấu chống

83

4.3. Xác định các thông số động của khối đá bằng thí nghiệm động SHPB

84

4.4. Kết quả thí nghiệm

90

4.5. Tính toán đặc tính động học của các thanh

94

4.6. Thí nghiệm SHBP trên mẫu đá granit

95

4.7. Phát triển mô hình số ba chiều 3D mô phỏng thí nghiệm SHPB

104

4.8. Kết luận Chương 4

109

Chương 5. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào
hầm đến kết cấu chống đường hầm lân cận bằng phương pháp số
5.1. Tổng quan

110
110

iii

5.2. Xây dựng mô hình số hai chiều 2D, mô hình ba chiều 3D khảo sát
ảnh hưởng của chấn động nổ mìn

111

5.3. Kiểm tra kích thước lưới và kiểm chứng mô hình số

116

5.4. Nhận xét

122

5.5. Khảo sát các thông số mô hình

123

5.6. Khảo sát sự ảnh hưởng của khoảng cách từ gương đường hầm đến
vị trí quan sát trong vỏ chống cố định của đường hầm cũ lân cận dọc

136

theo trục đường hầm
5.7. Đánh giá độ ổn định của vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận

139

5.8. Đánh giá độ ổn định của khối đá xung quanh đường hầm

141

5.9. Xây dựng công thức kinh nghiệm dự báo giá trị PPV trong vỏ chống
bê tông cố định của đường hầm cũ lân cận

142

5.10. Kết luận Chương 5

143

Kết luận và kiến nghị của luận án

144

Danh mục các công trình khoa học của tác giả

148

Tài liệu tham khảo

152

Phụ lục

163

iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2018
Tác giả luận án

Đặng Văn Kiên


v

LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán
bộ, chuyên viên Bộ môn Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ, Khoa Xây dựng,
Trường Đại học Mỏ-Địa chất; tập thể Ban Lãnh đạo Khoa Xây dựng, Trường
Đại học Mỏ-Địa chất; tập thể Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học,
Trường Đại học Mỏ-Địa chất, các giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng
Trường Đại học Đại học Mỏ-Địa chất đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận
tình trong quá trình thực hiện luận án với luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của
chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận”.
Chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.NGND. Võ Trọng
Hùng - Người Thày đã dành nhiều tâm huyết trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho
Tôi hoàn thành luận án này.
Chúng tôi cũng xin cảm ơn TS. Đỗ Ngọc Anh đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi
hoàn thiện phần nội dung nghiên cứu mô hình số.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên

tôi trong thời gian thực hiện luận án.
Xin cảm ơn Nguyễn Thị Phương, Đặng Gia Bảo, Đặng Gia Hân đã luôn
bên tôi động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực
hiện và hoàn thành luận án này.


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BDI - Chỉ số phá hủy nổ mìn (Blast Damage Index)
BEM - Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)
CAE - Môi trường đầy đủ của Abaqus (Complete Abaqus Evironment)
DAM - Chuyển vị của phần tử (Displacement or the amount of
movement)
DEM - Phương pháp phần tử riêng rẽ (rời rạc) (Distinct Element Method),
DDA - Phương pháp phân tích biến dạng không liên tục (Discontinuos
Deformation Analysis)
FCPV - Tần số dao động ứng với vận tốc dao động phần tử (Frequency
content of particle velocity)
FDM - Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method)
FE - Phần tử loại hữu hạn (Finite Element)
FEM - Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
FEM-DEM - Phương pháp hỗn hợp phương pháp phần tử hữu hạn và
phần tử rời rạc (Finite-Discrete Element Method)
IE - Phần tử loại vô hạn (Infinite Element)
n.n.k - Những người khác
NRBC - Điều kiện biên không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition)
PFC - Phương pháp dòng hạt (Particle Flow Code)
PPV - Vận tốc dao động phần tử đỉnh (Peak Particle Velocity)
PPA - Gia tốc phần tử lớn nhất (Peak Particle Acceleration)

SF - Tần số dao động riêng của kết cấu (Specific Frequency)
SHPB - Thí nghiệm động (Split Hopkinson Pressure Bar test)


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Nội dung

Trang

Bảng 2.1. Các thông số trong phương trình trạng thái của thuốc nổ TNT

38

Bảng 3.1. Trình tự nổ và số lượng các lỗ mìn trên gương

46

Bảng 3.2. Giá trị giới hạn của PPV với tỉ lệ khoảng cách tiêu chuẩn

50

Bảng 3.3. Tiêu chuẩn PPV theo AS 2187 (Tiêu chuẩn Úc)

51

Bảng 3.4. Tiêu chuẩn DIN 4150-3 (CHLB Đức)

52

Bảng 3.5. Tiêu chuẩn của Pháp

52

Bảng 3.6. Tiêu chuẩn của Thụy sĩ đánh giá mức độ chấn động của chấn
động nổ mìn đến các công trình lân cận (SN 640 312:1978)
Bảng 3.7. Tiêu chuẩn GB 6722-2003 của Trung Quốc về mức độ an
toàn của kết cấu công trình ngầm trên cơ sở giá trị cho phép của [PPV]
Bảng 3.8. Tiêu chuẩn Đức về mức độ an toàn của kết cấu công trình
ngầm trên cơ sở giá trị của [PPV] (DIN4150 1999-02)
Bảng 3.9. Hệ số tỉ lệ khoảng cách và [PPV] theo quy phạm
Bảng 3.10. Mối quan hệ giữa Dib và mức độ phá hủy trong khối đá bao
quanh và kết cấu chống giữ đường hầm (vỏ chống bê tông cũ)

52

53

53
53
56

Bảng 3.11. Kết quả đo chấn động gây ra bởi quá trình nổ mìn đường
hầm bởi cảm biến P với dải tần số thấp (f=130 Hz)

64

Bảng 3.12. Thông số cơ học của khối đá khảo sát

66

Bảng 3.13. Kết quả tính toán giá trị [PPV], mm/s

66

Bảng 3.14. Dự báo lượng thuốc lớn nhất cho một lần nổ, kg

67

Bảng 3.15. Vị trí của các khu vực nghiên cứu trong đường hầm

70

Bảng 3.16. Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với H>0

71

Bảng 3.17. Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với H<0

72

Bảng 3.18. Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với 0
73

Bảng 3.19. Quan hệ giữa Ln(K), K, α và giá trị RMR của cảm biến T

75

viii

Bảng 3.20. Quan hệ giữa Ln(K), K, α với RMR của cảm biến T khi H>0

75

Bảng 3.21. Quan hệ giữa Ln(K), α và RMR của cảm biến T với H<0

75

Bảng 4.1. Tổng hợp kích thước và các thông số cơ học của mẫu đá

92

Bảng 4.2. Các đặc tính cấu tạo của các thanh trong thí nghiệm SHPB

93

Bảng 4.3. Các mẫu đã tiến hành thí nghiệm

93

Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm trên mẫu N°38

95

Bảng 4.5. Số lượng phần tử cho mô hình nghiên cứu

108

Bảng 5.1. Các thông số động của khối đá, vỏ chống bê tông

115

Bảng 5.2. So sánh kết quả mô hình số và dữ liệu đo tại điểm A

122

Bảng 5.3. Sự ảnh hưởng của hệ số giảm chấn  đến giá trị PPV trong vỏ
chống bê tông
Bảng 5.4. Sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động Ed đến giá trị PPV
Bảng 5.5. Giá trị PPV (mm/s) đạt được trong phương pháp mô hình số
với các mô hình phá hủy vật liệu khác nhau và phương pháp đo đạc thực tế
Bảng 5.6. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của vị trí gương đường
hầm đến chấn động đối với vỏ chống bê tông cũ của đường hầm lân cận
Bảng 5.7. Giá trị (Dib) tại một số điểm quan sát trên biên đường hầm
mới và đường hầm cũ

126
129
131

138

141


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Nội dung

Trang

Hình 1.1. Sự cố, phá hủy xảy ra trong một số đường hầm ở Việt Nam và
trên thế giới

2

Hình 1.2. Nổ mìn đào đường hầm gây nứt nhà dân tại dự án xây dựng
đường hầm cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi

3

Hình 1.3. Điều kiện khu vực xung quanh đường hầm

4

Hình 1.4. Sóng ứng suất truyền trong khối đá

4

Hình 1.5. Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình lân
cận: a - Kết cấu đường hầm lân cận; b - Kết cấu công trình bề mặt

5

Hình 1.6. Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của nổ mìn trong môi trường

san hô
Hình 2.1. Sơ đồ mô tả sự tác động của các loại sóng nổ gây ra bởi vụ nổ
đến kết cấu đường hầm lân cận

Hình 2.2. Sơ đồ tính toán tương đương kết cấu đường hầm do sự lan
truyền của sóng nổ gây ra
Hình 2.3. Sự hình thành các vùng xung quanh vụ nổ

13
21
22
23

Hình 2.4. Sơ đồ tính xung riêng tác dụng lên kết cấu đường hầm
Hình 2.5. Biểu đồ mô phỏng áp lực nổ mìn

30

Hình 2.6. Quá trình nổ của một khối thuốc nổ trong lỗ khoan

32

Hình 2.7. Biểu đồ áp lực nổ khối thuốc tác dụng lên thành lỗ khoan

34

Hình 2.8. Hình dạng xung áp lực nổ ứng với hai loại thuốc nổ khác nhau

35

Hình 2.9. Sơ đồ mô tả áp lực nổ mìn

37

Hình 2.10. Mô hình tải trọng tác dụng theo thời gian khi nổ nhiều đợt lỗ
mìn trên gương
Hình 2.11. Hàm áp lực nổ theo thời gian của loại nổ dạng 1

30

37
39

Hình 3.1. Mặt cắt dọc địa chất tuyến đường hầm

45

Hình 3.2. Mặt bằng vị trí tuyến hầm

45

Hình 3.3. Mặt cắt địa chất điển hình

45


x

Hình 3.4. Một mặt cắt địa chất gương hầm

45

Hình 3.5. Giá trị RMR của khối đá dọc tuyến đường hầm

45

Hình 3.6. Sơ đồ bố trí các lỗ mìn trên gương và trình tự nổ các lỗ mìn

46

Hình 3.7. Cấu tạo cảm biến Géophone
Hình 3.8. Vị trí các cảm biến trong vỏ chống bê tông của đường hầm cũ

47
48

Hình 3.9. Kết quả đo PPV, phổ vận tốc của cảm biến C100 tại PM100

48

Hình 3.10. Kết quả đo PPV và chuyển vị tại một vị trí của cảm biến
điển hình tại dự án hầm Croix-Rousse

49

Hình 3.11. Đồ thị mức độ an toàn chấn động nổ mìn

51

Hình 3.12. Biểu đồ quy định [PPV] cực trị ở dải tần số thấp theo

54

Hình 3.13. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) và tỉ lệ khoảng cách (D/ Q )
theo ba phương dựa trên dữ liệu đo của cảm biến T tại dự án hầm CroixRousse

59

Hình 3.14. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) và tỉ lệ khoảng cách (D/ Q )
theo ba phương dựa trên dữ liệu đo của cảm biến A theo ba phương

59

Hình 3.15. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) thẳng đứng (V) và tỉ lệ
khoảng cách (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM
220÷PM340

59

Hình 3.16. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương nằm ngang (H)
và tỉ lệ (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM
220÷PM340

60

Hình 3.17. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương dọc trục hầm (L)
và (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM
220÷PM340

60

Hình 3.18. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương dọc trục hầm và
(D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM 220÷PM340
theo ba phương

60

Hình 3.19. Quan hệ giữa ln(PPV) theo ba phương (V, H, L) và tỉ lệ
khoảng cách (D / Q ) theo kết quả ghi được của cảm biến T tại vị trí
PM1400

61


xi

Hình 3.20. Sơ đồ xác định khoảng cách giữa vị trí nổ mìn và điểm quan sát

62

Hình 3.21. Mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ lượng nạp SC

65

Hình 3.22. Giá trị RMR trong vùng nghiên cứu 1

70

Hình 3.23. Sơ đồ thể hiện khoảng cách tương đối H của vị trí đặt cảm
biến trong đường hầm

71

Hình 3.24. Quan hệ giữa RMR và ln(K) khi H>0

71

Hình 3.25. Quan hệ giữa RMR và K khi H>0

71

Hình 3.26. Quan hệ giữa RMR và α khi H>0

72

Hình 3.27. Quan hệ giữa RMR và ln(K) khi H<0

72

Hình 3.28. Quan hệ giữa RMR và K khi H<0

72

Hình 3.29. Quan hệ giữa RMR và α khi H<0

72

Hình 3.30. Quan hệ giữa RMR và ln(K) khi 0
73

Hình 3.31. Quan hệ giữa RMR và K khi 0
73

Hình 3.32. Quan hệ giữa RMR và α khi 0
74

Hình 3.33. Các mối quan hệ giữa ln(K), RMR và RMR tại cảm biến P

74

Hình 3.34. Giá trị RMR trong vùng nghiên cứu thứ 2

75

Hình 3.35. Mối quan hệ giữa Ln(K), α và RMR ở vùng 2

75

Hình 3.36. Quan hệ giữa ln (K) và α theo RMR khi H<0 và H>0 m

76

Hình 3.37. Quan hệ giữa RMRvà ln(K)

76

Hình 3.38. Quan hệ giữa RMR và K

76

Hình 3.39. Quan hệ giữa RMR và 

76

Hình 3.40. Quan hệ giữa RMR và ln(K)

76

Hình 3.41. Quan hệ giữa RMR và K

77

Hình 3.42. Quan hệ giữa RMR và 

77

Hình 3.43. Quan hệ giữa RMR và ln(K)

77

Hình 3.44. Quan hệ giữa RMR và K

77

Hình 3.45. Quan hệ giữa RMR và α

77

Hình 3.46. So sánh quan hệ giữa ln(K),  và RMR ở các vùng 1, vùng 2

77


xii

Hình 4.1. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến độ bền nén của bê tông

82

Hình 4.2. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến độ bền kéo của bê tông

82

Hình 4.3. Tần số, biên độ cho các tải trọng động khác nhau

83

Hình 4.4. Hệ thống thí nghiệm SHPB

85

Hình 4.5. Biến dạng trong thanh tới và thanh truyền

86

Hình 4.6. Đồ thị truyền sóng ứng suất trong thí nghiệm SHPB điển hình

86

Hình 4.7. Sơ đồ của một cầu Wheatstone

88

Hình 4.8. Sơ đồ tính toán mẫu hình trụ

89

Hình 4.9. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm SHBP tại phòng thí nghiệm thuộc
INSA Lyon, Cộng hòa Pháp

91

Hình 4.10. Hệ thống khởi động của thanh chuyển động và vị trí mẫu
giữa hai thanh tới và thanh truyền

92

Hình 4.11. Vị trí cảm biến trên thanh

92

Hình 4.12. Các mẫu thí nghiệm đường kính 45,0 mm chiều cao 100,0 mm

92

Hình 4.13. Các tín hiệu trong thanh tới

94

Hình 4.14. Tín hiệu cảm biến vận tốc

96

Hình 4.15. Biến dạng trên thanh tới (cảm biến 5) và thanh truyền (cảm
biến 7) theo thời gian

96

Hình 4.16. Thời gian bổ sung: a - Hình tổng quan; b - Hình phóng to

98

Hình 4.17. Ứng suất trong thanh tới khi áp lực tác dụng lên thanh đánh
bằng 0,3 MPa

99

Hình 4.18. Ứng suất trong thanh truyền khi áp lực tác dụng lên thanh
đánh bằng 0,3 MPa

99

Hình 4.19. Vận tốc thanh tới tại khi áp lực tác dụng lên thanh đánh 0,3 MPa

100

Hình 4.20. Tốc độ biến dạng mẫu khi áp lực tác dụng lên thanh đánh

0,3 MPa
Hình 4.21. Ứng suất trong mẫu N038 (khi áp lực tác dụng lên thanh
đánh bằng 0,3 MPa)
Hình 4.22. Sơ đồ mô tả tín hiệu điện áp

100
100
101


xiii

Hình 4.23. Biến dạng trên thanh tới (cảm biến 5) và thanh truyền (cảm
biến 7) theo thời gian

101

Hình 4.24. Ứng suất trong thanh tới theo thời gian khi áp lực tác dụng
lên thanh đánh bằng 0,35 MPa

102

Hình 4.25. Ứng suất trong thanh truyền theo thời gian khi áp lực tác
dụng lên thanh đánh bằng 0,35 MPa

102

Hình 4.26. Vận tốc thanh tới theo thời gian

102

Hình 4.27. Ứng suất theo thời gian trong mẫu số N038 áp lực tác dụng
lên thanh đánh 0,35 MPa (tại thời điểm t14,0 ms)

102

Hình 4.28. Tốc độ biến dạng theo thời gian của mẫu đá với áp lực tác
dụng lên thanh đánh có giá trị khác nhau (0,30 MPa và 0,35 MPa)

103

Hình 4.29. Trình tự mô phỏng thí nghiệm SHPB

105

Hình 4.30. Kích thước mô hình thí nghiệm SHPB

105

Hình 4.31. Mô hình áp lực tác dụng lên thanh tới do thanh đánh tác dụng

105

Hình 4.32. Ứng suất trong mẫu với kích thước phần tử khác nhau

107

Hình 4.33. Sự thay đổi ứng suất trong mẫu theo kích thước phần tử của mẫu

108

Hình 4.34. Ứng suất trong mẫu trường hợp 2

108

Hình 4.35. Ứng suất trong mẫu trường hợp 3

108

Hình 5.1. Kích thước mô hình hai chiều 2D

113

Hình 5.2. Kích thước mô hình ba chiều (3D)

113

Hình 5.3. Mô hình áp lực nổ lên biên đường hầm

117

Hình 5.4. Các loại phần tử vô hạn được sử dụng trong mô phỏng

118

Hình 5.5. Sơ đồ xác định chiều dài phần tử vô hạn trong mô hình số

119

Hình 5.6. Kích thước mô hình số khảo sát

120

Hình 5.7. Sơ đồ đặt lực kiểm tra kích thước lưới

120

Hình 5.8. Cường độ của lực Tác dụng theo thời gian

120

Hình 5.9. Sự khác nhau về thời gian giữa hai điểm B và C

121

Hình 5.10. Các điểm quan sát khảo sát trong mô hình số

124

Hình 5.11. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đến giá trị PPV tại điểm A

125


xiv

Hình 5.12. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn đến giá trị PPV tại điểm B

126

Hình 5.13. Tổng hợp sự ảnh hưởng của hệ số giảm chấn  đến giá trị
PPV xuất hiện trong vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ tại B

127

Hình 5.14. Sơ đồ lựa chọn hệ số giảm chấn  cho mô hình số B

128

Hình 5.15. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi động Ed và PPV theo phương
thẳng đứng tại B

128

Hình 5.16. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi động Ed và PPV theo phương
nằm ngang tại B

130

Hình 5.17. Tổng hợp sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động Ed đến giá
trị PPV trong vỏ chống bê tông cố định của đường hầm cũ

131

Hình 5.18. Ảnh hưởng của mô hình phá hủy vật liệu đến PPV

133

Hình 5.19. Sự ảnh hưởng của chiều dài mô hình số đến chấn động nổ
mìn trong vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ

133

Hình 5.20. So sánh các PPV theo phương thẳng đứng (PPV1) trong vỏ
chống bê tông của đường hầm cũ khi chiều dài mô hình số thay đổi tại
điểm B

134

Hình 5.21. So sánh các giá trị PPV theo phương nằm ngang PPV2 trong
vỏ chống bê tông của đường hầm cũ khi chiều dài mô hình số thay đổi
tại điểm B

134

Hình 5.22. So sánh biên độ thay đổi của PPV tại điểm quan sát

136

Hình 5.23. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai đường hầm đến giá trị
PPV trong vỏ chống bê tông cố định của đường hầm cũ

137

Hình 5.24. Sơ đồ nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn tại
gương hầm mới đến vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận theo
phương dọc trục hầm

138

Hình 5.25. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách D- từ vị trí
quan sát trong vỏ chống đường hầm cũ tới mặt phẳng trùng với mặt
phẳng gương hầm mới đến giá trị PPV

140

Hình 5.26. Vùng phá hủy trong vỏ chống bê tông của hầm cũ lân cận

142

Hình 5.27. Vùng phá hủy của khối đá

143


xv

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án nghiên cứu
Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế, cơ sở hạ tầng của Việt
Nam được từng bước được đầu tư xây dựng hoàn thiện, trong đó xuất hiện các
dự án hầm được đào mới, đào mở rộng ngay cạnh các dự án hầm đã được xây
dựng nhiều năm trước đó như dự án hầm Cổ Mã, hầm Hải Vân,…Do khoảng
cách giữa hai hầm thường có giá trị nhỏ (30,0 m), cho nên khi tại khi mở rộng
hầm lánh nạn bằng phương pháp khoan nổ mìn sẽ gây nên những ảnh hưởng xấu
của sóng nổ đến kết cấu vỏ chống chống giữ hầm chính. Do đó, việc nghiên cứu
sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân
cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn ở Việt Nam hiện
nay là hết sức cần thiết. Kết quả giải quyết vấn đề trên sẽ góp phần làm cơ sở cho
việc đánh giá chấn động nổ mìn đường hầm dân dụng, phục vụ công tác thiết kế

và thi công đường hầm nhằm hạn chế chấn động kết cấu đường hầm lân cận. Đây
là vấn đề còn hết sức mới mẻ ở Việt Nam. Do đó, các vấn đề tác giả đã lựa chọn
trong luận án nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường
hầm đến kết cấu đường hầm lân cận để tiến hành nghiên cứu có tính thời sự và
mang tính cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Mục tiêu nghiên cứu của luận án như sau:
➢ Xây dựng các mô hình số 2D, 3D cho phép phân tích, dự báo ảnh
hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận khi
thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn;
➢ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ
của đường hầm lân cận trên các mô hình số 2D, 3D;
➢ Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu
chống giữ của đường hầm lân cận dựa trên các số liệu đo đạc thực tế tại một số


xvi

dự án và kết quả nghiên cứu trên mô hình số 2D, 3D;
➢ Tìm ra một số quy luật thực nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng của
chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của đường hầm
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án như sau:
➢ Kết cấu chống giữ bê tong của đường hầm lân cận với đường hầm được
thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn;
➢ Môi trường đất đá là đàn hồi tuyến tính và đồng nhất, chưa xét đến sự
ảnh hưởng của khe nứt và mặt phân cách trong khối đá đến sự truyền sóng;
➢ Mối liên kết giữa vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ với
khối đá là liên kết cứng liên tục. Lớp vỏ chống bê tông liền khối thỏa mãn được
coi là lớp lát hàn bám chặt vào đất đá và cùng dao động với đất đá.

4. Phương pháp tiếp cận nghiên cứu
Luận án tiếp cận các vấn đề nghiên cứu từ các góc độ sau đây:
➢ Phương pháp tiếp cận lý thuyết: tiếp cận các kết quả của các bài toán
động truyền sóng nổ trong môi trường đất đá đồng nhất, đẳng hướng;
➢ Phương pháp tiếp cận thực tế: tiếp cận các kết quả đo đạc chấn động
thực tế tại hầm Croix-Rousse, Lyon, Pháp;
➢ Phương pháp tiếp cận bằng cách sử dụng các thành tựu khoa học tiên
tiến của thế giới và trong nước: để lựa chọn các phương pháp đánh giá ảnh
hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận thông qua các công
trình khoa học đã được công bố trên các tạp chí, các báo cáo tại các hội thảo,
kinh nghiệm của các nhà khoa học nhà quản lý tại các cơ sở nghiên cứu trong
lĩnh vực nghiên cứu của luận án trong nước và ngoài nước.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:
➢ Phương pháp nghiên cứu phân tích tổng hợp: tiến hành thu thập các số


xvii

liệu đo đạc thực tế tại các dự án hầm thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án;
➢ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thí nghiệm trên các mẫu đá thu
được tại hiện trường tại phòng thí nghiệm;
➢ Phương pháp số: xây dựng các mô hình số đánh giá ảnh hưởng của
chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận khi thi công đường hầm bằng
phương pháp khoan nổ mìn trên mặt phẳng đi qua gương hầm (2D) và dọc trục
đường hầm (3D).
6. Phạm vi nghiên cứu của luận án
Phạm vi nghiên cứu của luận án như sau:
➢ Môi trường đất đá là đàn hồi tuyến tính và đồng nhất, chưa xét đến sự
ảnh hưởng của khe nứt trong khối đá đến sự truyền sóng;

➢ Liên kết giữa vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ với khối đá
là liên kết cứng liên tục. Lớp vỏ chống bê tông liền khối thỏa mãn được coi là
lớp lát hàn bám chặt vào đất đá và cùng dao động với đất đá.
7. Đối tượng nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án là vỏ chống bê tông liền khối của
đường hầm cũ được xây dựng trước đó theo công nghệ truyền thống đổ tại chỗ
bằng ván khuôn di động hoặc ván khuôn lắp ghép có lớp bê tông lấp đầy và bám
chặt vào lớp đất đá (lớp lát hàn), do đó lớp vỏ chỉ được tính toán cho sóng nổ,
không tính cho áp lực đất đá.
8. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
➢ Ý nghĩa khoa học của luận án: các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ
góp phần làm cơ sở lý luận cho việc đánh giá chấn động nổ mìn khi thi công các
đường hầm dân dụng và công nghiệp;
➢ Ý nghĩa thực tiễn của luận án: các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ
phục vụ cho các công tác thiết kế, công tác thi công đường hầm nhằm hạn chế sự


xviii

chấn động có hại của sóng nổ mìn đến kết cấu của các đường hầm lân cận ở Việt
Nam.
9. Những điểm mới của luận án
Luận án đạt được một số điểm mới như sau:
➢ Thực hiện thí nghiệm động SHPB và mô phỏng số để xác định các
thông số động của môi trường đất đá, kết cấu chống giữ; tìm ra các mối quan hệ
giữa ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng theo thời gian của kết cấu chống giữ
dưới tác dụng của tải trọng động giống như áp lực nổ mìn trên thực tế;
➢ Xây dựng các công thức kinh nghiệm xác định giá trị PPV và lượng
thuốc nổ nạp lớn nhất khi nổ mìn thi công đường hầm; chỉ ra mối quan hệ giữa
RMR của khối đá, mức độ chấn động đến vỏ chống bê tông đường hầm lân cận

tại dự án hầm Croix-Rousse; xây dựng các công thức thực nghiệm xác định giá
trị PPV phụ thuộc vào RMR;
➢ Xây dựng, kiểm chứng mô hình số hai chiều 2D, ba chiều 3D; khảo sát
các thông số của các mô hình và tìm ra giá trị hệ số giảm chấn phù hợp bằng 5,0
%; xác định giá trị PPV tỉ lệ nghịch với hệ số giảm chấn của khối đá; xác định
chiều dài mô hình hợp lý; chỉ ra các vùng phá hủy của vỏ chống đường hầm cũ;
tìm ra các công thức thực nghiệm dự báo giá trị PPV cho các vị trí trong vỏ
chống đường hầm cũ; đề xuất phương pháp xem xét mức độ chấn động của nổ
mìn thi công đường hầm mới đến trạng thái của khối đá và kết cấu chống giữ bê
tông của đường hầm cũ lân cận.
10. Cấu trúc luận án
Luận án có kết cấu gồm 5 chương như sau:
➢ Chương 1. Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công
đường hầm đến kết cấu chống các đường hầm lân cận
➢ Chương 2. Lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá và
phương pháp xác định sự ảnh hưởng của sóng nổ lên kết cấu đường hầm lân cận


xix

➢ Chương 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công
đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân
cậnthông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường
➢ Chương 4. Nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống
➢ Chương 5. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào
hầm đến kết cấu chống đường hầm lân cận bằng phương pháp số


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN THI CÔNG
ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CHỐNG CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN
1.1. Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào hầm đến công
trình ngầm lân cận và hướng nghiên cứu của luận án
Tại nước ta trong thời gian qua xuất hiện các dự án đường hầm được đào mới
ngay cạnh các dự án đường hầm đã được xây dựng trước đó nhiều năm như dự án
đường hầm Cổ Mã, dự án mở rộng hầm lánh nạn thuộc dự án hầm Hải Vân. Tại
đường hầm Cổ Mã thuộc dự án hầm đường bộ Đèo Cả, đường hầm chính đào gần
song song với đường hầm đường sắt số 24 (vị trí gần nhất 47,0 m, vỏ bê tông đường
hầm được Pháp thi công khoảng 100 năm trước đây) (Phụ lục 1). Công tác đảm bảo
an toàn cho kết cấu đường hầm đường sắt được yêu cầu nghiêm ngặt thông qua
công tác giám sát nổ mìn bằng cách đo thực nghiệm giá trị PPV nhằm điều chỉnh
lượng thuốc nổ lớn nhất cho một lần nổ để đảm bảo an toàn cho vỏ chống bê tông.
Đối với dự án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân, khoảng cách giữa đường hầm
chính của Dự án đường hầm Hải Vân và đường hầm lánh nạn chỉ khoảng 30,0 m
(Phụ lục 1). Tuy nhiên, khi mở rộng đường hầm lánh nạn bằng phương pháp khoan
nổ mìn, vấn đề đánh giá dự báo ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào hầm đến kết
cấu vỏ chống của hầm chính vẫn chưa được quan tâm đúng mức để có thể dự báo
chính xác sự ảnh hưởng nhằm đưa ra các giải pháp phù hợp khi thi công mở rộng
đường hầm lánh nạn. Ngoài ra, quá trình thi công mở rộng đường hầm lánh nạn còn
phải xét đến những nứt nẻ, phá hủy xuất hiện trong vỏ chống bê tông tại đường hầm
chính xuất hiện trước đó để có giải pháp xử lý phù hợp (Hình 1.1.a) [1]. Khi nổ mìn
thi công đường hầm, ngoài tác dụng phá vỡ khối đá trên gương đường hầm, năng
lượng sinh ra khi nổ mìn còn ảnh hưởng đến vùng khối đá xung quanh trong một
phạm vi nhất định. Các đường hầm ở trong phạm vi đó cần được đánh giá mức độ
tác động gây ra do nổ mìn khi đào đường hầm.


2

a)

b)

Hình 1.1. Sự cố, phá hủy xảy ra trong một số đường hầm ở Việt Nam và trên thế
giới: a - Các vết nứt xuất hiện trong vỏ hầm chính của hầm Hải Vân [1], [23]; b - Vụ
nổ trong đường hầm lấy nước Port Huron tại Mỹ vào năm 1971 [2], [4]
Trong quá khứ, nhiều sự cố phá hủy các công trình do nổ mìn trong khu vực
lân cận đã được ghi nhận trên thế giới. Năm 1971, một vụ nổ đã xảy ra tại một đường
hầm được xây dựng 220 feet dưới bờ biển gần hồ Huron, Mỹ làm chết 21 người và
khiến 9 người bị thương [4]. Toàn bộ kết cấu trong đường hầm đã hoàn toàn bị phá
hủy sau vụ nổ (Hình 1.1.b). Sức công phá của vụ nổ mạnh đến mức làm cấu trúc
đường hầm bị hư hỏng nghiêm trọng. Năm 1980, đường hầm đường sắt Jiuguaidao,
Trung Quốc đã bị phá hủy nghiêm trọng do chấn động nổ mìn từ việc đào mái dốc
gần đó: 123,0 m đường hầm đã bị phá hủy 3000,0 m3 đất đá bên trong đường hầm bị
sạt lở. Chi phí khắc phục sự cố lên đến hàng tỉ đôla [67].
Trên thế giới hiện có rất nhiều dự án đường hầm đào bằng khoan nổ mìn cần
được giám sát chấn động nổ mìn cho các kết cấu công trình ngầm lân cận như dự án
đường hầm Croix-Rousse ở Lyon, Cộng hòa Pháp. Đường hầm Croix-Rousse là
một công trình đường hầm giao thông đô thị giữa sông Rhône và sông Saône. Chiều
dài của đường hầm là 1757,5 m; diện tích mặt cắt ngang bằng 84,10 m2 (Hình 1.2).
Vị trí đường hầm nằm ở khu vực rất đông dân cư, có nhiều tòa nhà gần đó [54].
Ngoài ra, có một đường hầm cũ có dạng vòm tường thẳng (bán kính vòm là 8,05 m,
chiều cao tường 1,0 m) nằm song song với đường hầm mới. Đường hầm đào mới
có dạng hình vòm móng ngựa, bán kính của vòm là 5,55 m. Khoảng cách giữa hai
trục đường hầm bằng 42,6 m. Do đường hầm đào hoàn toàn trong đất đá rắn cứng
với độ bền nén trên 120 MPa, cho nên nhà thầu (Công ty EGIS, Pháp) đã chọn
phương pháp khoan nổ mìn để thi công đường hầm. Khi thi công đường hầm, Công

3

ty EGIS đã sử dụng phương pháp đo đạc hiện trường kết hợp với tiêu chuẩn đánh
giá chấn động cho kết cấu vỏ chống đường hầm của Pháp để đánh giá mức độ chấn
động. Từ đây, lượng thuốc nổ lớn nhất được điều chỉnh cho mỗi lần nổ và cho cả
gương hầm để đảm bảo an toàn cho kết cấu vỏ chống của đường hầm cũ lân cận.
Các dự án đường hầm cao tốc Damaoshan, đường hầm đường sắt ở Xinjiang (Trung
Quốc),… cũng được tiến hành tương tự.
a)

b)

Hình 1.2. Điều kiện khu vực xung quanh đường hầm: a - Mặt cắt ngang
và khoảng cách hai đường hầm; b - Vị trí mặt bằng cửa đường hầm [54]
Vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào hầm đã được các
nhà khoa học trên thế giới quan tâm, nhiều công trình khoa học được công bố trong
thời gian gần đây. Tại Việt Nam do hạn chế về phương tiện đo đạc thực nghiệm,
thiếu các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng trong tính toán thiết kế đối với các
công trình ngầm dân sự nên kết quả nghiên cứu vẫn còn nhiều hạn chế. Nhiều tác
giả đã quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đối với các công trình
ngầm quân sự, tuy nhiên, tải trọng được xem xét trong các nghiên cứu chủ yếu do
áp lực nổ của bom đạn trên mặt đất hoặc lượng thuốc nổ đơn độc nằm nông so với
mặt đất. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơ học của đất đá, tính không
đồng nhất của môi trường, đặc tính áp lực nổ mìn, khoảng cách giữa hai đường
hầm, loại liên kết giữa đất đá và vỏ chống đường hầm đến mức độ chấn động của
kết cấu công trình ngầm cũng ít được chú ý.
Hiện nay, việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu
công trình ngầm lân cận được tiến hành theo các hướng chủ yếu sau: nghiên cứu sự
ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi nổ một lượng thuốc nổ đơn độc (đánh bom

4

khủng bố trong tàu điện ngầm, nổ do bom đạn...); khi nổ vi sai trong trong giai đoạn
thi công do nổ mìn tại gương hầm đến kết cấu công trình ngầm phía sau và xung
quanh gương hầm với kết cấu là bê tông phun, bê tông liền khối cùng với tuổi khác
nhau [7], [8], [9], [33], [40] (Hình 1.3).

Hình 1.3. Sóng ứng suất truyền trong khối đá: a - Mặt cắt ngang hầm;
b - Mặt bằng đường hầm [7], [8], [9], [33], [40]
a)

b)

Hình 1.4. Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình lân cận:
a - Kết cấu đường hầm lân cận; b - Kết cấu công trình bề mặt [42], [62], [63]
Hướng nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào
đường hầm bằng phương pháp nổ mìn đến kết cấu chống đường hầm lân cận đã
được đẩy mạnh nghiên cứu trong thời gian gần đây do số lượng các dự án đào
đường hầm mới, đào mở rộng bên cạnh tuyến đường hầm tăng nhanh nhằm đáp ứng