Tài liệu 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 00 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 00 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