Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng 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 Chuyên Ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm Mã số : 9580204 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬTrọng Hùng Hà Nội - 2018
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ Khoa Xây dựng Trường Đại học Mỏ-Địa chất Người hướng dẫn khoa học: GS.TS.NGND. Võ Trọng Hùng Phản biện 1 : GS.TS. Đỗ Như Tráng Phản biện 2 : GS.TS. Nhữ Văn Bách Phản biện 3 : TS. Cao Chu Quang Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường tại Trường Đại học Mỏ-Địa chất (Theo Quyết định số 1001/QĐ-MĐC ngày 14 tháng 08 năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Đại học Mỏ-Địa chất) Vào hồi …..giờ….ngày…….tháng …..năm 2018 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Trường Đại học Mỏ-Địa chất.
1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của luận án Trong thời gian qua rất nhiều các dự án hầm dân dụng lớn được đào mới hoặc đào mở rộng trong đó hầm mới đào gần đường hầm cũ với kết cấu vỏ hầm cần được bảo vệ tránh phá hủy như hầm Cổ Mã, hầm Hải Vân… Phương pháp thi công được lựa chọn là khoan nổ mìn do đào trong đá cứng như granite, trong khi khoảng cách giữa hầm đào mới và hầm cũ tồn tại lân cận nhỏ: với hầm Cổ Mã cách hầm đường sắt số 24 khoảng 47m; hầm Hải Vân, hầm mới cách hầm lánh nạn 30m. Do vậy, vấn đề đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào hầm đến kết cấu đường hầm cũ lân cận là hết sức cần thiết và cấp bách. Mặc dù thực tế sản xuất đặt ra những yêu cầu cấp bách cần tiến phải tiến hành các nghiên cứu đánh giá, áp dụng các giải pháp nhằm giảm thiếu tối đa những ảnh hưởng tiêu cực của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận, xong hiện nay vấn đề đó vẫn chưa được quan tâm đúng mức, chưa có một công trình khoa học chuyên sâu về chấn động nổ mìn đối với các công trình ngầm dân dụng. Các tiêu chuẩn thiết kế, thi công các Quy phạm hiện hành của nước ta chưa chú nhiều nhiều đến vấn đề này, đặc biệt là những quy định cụ thể cho kết cấu công trình ngầm lân cận với vụ nổ. Trên thế giới, hướng nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ của công trình ngầm lân cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và đã có một số kết quả nhất định. Một số tiêu chuẩn của một số nước cũng đã đề cập chi tiết và đưa ra những ngưỡng cụ thể để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận như CH Liên bang Đức, Trung Quốc. Qua đó cho thấy, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận là hết sức cần thiết và cấp bách. Do vậy để đáp ứng được yêu cầu cấp bách ở trên tác giả đã lựa chọn luận án với tiêu đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm: - Xây dựng được các mô hình số 2D, 3D cho phép nghiên cứu 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; - 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 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;
2 3. Đối tượng nghiên cứu của luận án - Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến vỏ hầm của hầm cũ lân cận; - Kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận với đường hầm mới được thi công bằng phương pháp khoan nổ mìn; 4. 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 liệu đo đạc thực tế tại các dự án hầm thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án; - Phương pháp đo đạc thực nghiệm: thí nghiệm trên các mẫu đá thu được tại hiện trường; - 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). 5. Phạm vi nghiên cứu của luận án: - Môi trường đất đá là đồng nhất, đẳng hướng, chưa xem xét đến sự ảnh hưởng của khe nứt và mặt phân cách trong khối đá đến kết quả nghiên cứu; - Liên kết giữa vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ lân cận với khối đá là liên kết cứng liên tục. Lớp vỏ chống bê tông liền khối được giả thiết như lớp lát hàn bám chặt vào đất đá và cùng dao động với đất đá. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của vấn đề nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học của luận án: các kết quả nghiên cứu mới 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; - 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 giảm thiểu sự ảnh hưởng bất lợi của sóng nổ mìn đến kết cấu của các đường hầm lân cận. 7. Những điểm mới của luận án: Kết quả luận án đạt được các điểm mới sau đây: (1) Thực hiện thí nghiệm động SHPB và mô phỏng số để xác định các thông số động của khối đá, và vỏ chống; 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; (2) 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 hầm Croix-Rousse; xây dựng các công thức thực nghiệm xác định giá trị PPV phụ thuộc vào RMR; (3) 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
3 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. 8. Cấu trúc luận án: Luận án có kết cấu gồm 5 chương với nội dung như sau: 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; Chương 2: Lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá và phương pháp xác định sự ảnh hưởng của sóng nổ mìn lên kết cấu đường hầm lân cận; Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận bằng phương pháp đo đạc hiện trường; Chương 4: Nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống; Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận bằng phương pháp số; 9. Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu của luận án, luận án trình bầy trong 5 chương và 03 Phụ lục, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo, các công trình đã công bố, danh sách tài liệu tham khảo với nội dung chính trình bầy trong 147 trang đánh máy khổ A4 gồm 135 hình vẽ, 34 bảng. Các kết quả chính của luận án đã được công bố trên 24 bài báo trên các tạp chí trong nước, quốc tế và kỷ yếu hội nghị quốc tế và trong nước, trong đó có 01 bài báo thuộc danh mục ISI và nhiều bài được đăng tải trên trang DOI uy tín. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN ĐẾN CÁC CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN 1.1.Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận và các thông số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 1.2.Đánh giá chung về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về hướng nghiên cứu của luận án Từ kết quả nghiên cứu trên đây, có thể rút ra một số nhận xét sau: ➢ Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý tương đương rất khó sử dụng khi nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn. Phương pháp mô hình số và phương pháp đo đạc hiện trường đang được sử dụng rất phổ biến và cho kết quả tin cậy. Do đó, luận án chọn sử dụng kết hợp hai phương pháp trên để nghiên cứu.
4 ➢ Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận khi đào đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn ở Việt Nam chưa được chú ý nhiều trong khi có rất nhiều các dự án hầm lớn của Việt Nam cần đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn. ➢ Các nghiên cứu chủ yếu mới chỉ chú ý xem xét sự ảnh hưởng đối với các đường hầm quân sự (công sự) đặt trên mặt đất hoặc gần mặt đất. Tải trọng được đề cập chủ yếu là do áp lực nổ của bom đạn trên mặt đất hoặc bom đạn nổ trong môi trường đất đá gần đường hầm và kích nổ một lần. Các nghiên cứu đối với các công trình ngầm dân dụng hầu như chưa được chú ý. ➢ Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của đặc tính không đồng nhất của môi trường đất đá, đặc tính áp lực nổ mìn, phương pháp mô phỏng áp lực nổ, khoảng cách giữa hai đường hầm, loại liên kết giữa đất đá và kết cấu chống giữ đến kết quả mô hình ít được chú ý. Đa số các khảo sát mô hình số hiện nay mới chỉ thực hiện thông qua các mô hình số hai chiều 2D, trong khi với với toán đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn với mô hình 2D không thể hiện hết được phần năng lượng bị hấp thụ. Vì vậy, mô hình 3D nên nghiên cứu sử dụng cho phù hợp với điều kiện thực tế; ➢ Trong thời gian qua, một số ít các tác giả đã phát triển mô hình 3 chiều 3D bằng các phương pháp khác nhau (phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử rời rạc,...). Tuy vậy, các kết quả hầu hết mới chỉ dừng lại ở việc xem xét sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến phần vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm lân cận trong phạm vi mặt cắt ngang trùng với mặt cắt đi qua gương đường hầm mới; ➢ Các kết quả nghiên cứu đến nay mới dừng lại ở việc đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến phần vỏ chống của đường hầm lận cận nằm trong cùng mặt phẳng với gương đường hầm mới (chủ yếu mô phỏng trên mô hình số 2D). Việc đánh giá mức độ chấn động của miền vỏ chống bê tông phía trước, phía sau mặt phẳng chứa gương đường hầm mới (dọc trục hầm) hầu như chưa được chú ý do sự phức tạp của mô hình 3D và thời gian chạy mô hình. 1.5. Những vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án Trên cơ sở kết quả nghiên cứu Chương 1, hướng nghiên cứu chính của luận án là nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận khi đào đường hầm mới bằng phương pháp khoan nổ mìn theo hướng dọc trục đường hầm Hình 1.1 với sơ đồ nghiên cứu của luận án thể hiện trên Hình 1.2.`
5 Hình 1.1. Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào hầm đến các công trình lân cận Hình 1.2. Sơ đồ thể hiện các bước nghiên cứu của luận án Các bước nghiên cứu chính gồm: ➢ Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận bằng phương pháp đo đạc hiện trường tại dự án đường hầm Croix-Rousse, Lyon: ➢ Nghiên cứu các thông số động học của khối đá và vỏ chống thông qua thí nghiệm động học SHPB trên các mẫu đá để xác định làm dữ liệu đầu vào cho các mô hình số; ➢ Xây dựng, kiểm chứng và khảo sát thông số mô hình số thông qua mô hình hai chiều (2D ) và ba chiều (3D) theo trình tự sau đây:
6  Xây dựng, kiểm tra kích thước lưới, kiểm chứng độ hội tụ của các mô hình số hai chiều 2D và ba chiều 3D bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Abaqus.  Khảo sát sự ảnh hưởng của tính chất cơ lý của khối đá và vỏ chống (bao gồm các thông số chủ yếu như mô đun đàn hồi động, hệ số giảm chấn, mô hình phá hủy vật liệu...) đến kết quả của mô hình;  Khảo sát sự ảnh hưởng của khoảng cách và vị trí đường hầm (thay đổi khoảng cách đường hầm) để tìm ra giá trị khoảng cách tối thiểu cho phép nhằm đảm bảo an toàn cho vỏ chống cố định của đường hầm cũ; ảnh hưởng của mô hình áp lực nổ; ➢ Sử dụng chỉ số phá hủy nổ mìn “BDI” để dự báo mức độ phá hủy của khối đá và kết cấu đường hầm lân cận thông qua việc sử dụng kết quả của mô hình số đã xây dựng và đã được kiểm chứng. 1.6. Kết luận Chương 1 Trong Chương 1 đã tiến hành nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về sự ảnh hưởng của chấn động gây ra do nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận. Trong đó, đặc biệt nhấn mạnh về vai trò quan trọng của các phương pháp đo thực nghiệm tại hiện trường và các phương pháp nghiên cứu số cho quá trình nghiên cứu bài toán. Nội dung Chương 1 đã đưa ra những nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về hướng nghiên cứu, những điểm còn tồn tại của vấn đề nghiên cứu, trên cơ sở đó đề xuất những vấn đề nghiên cứu chính của luận án. 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 2.1. Các loại sóng chấn động gây ra do nổ mìn đào hầm và đặc tính của chúng Khi nổ mìn đào hầm, áp suất rất lớn tại vị trí nổ tạo ra sóng xung kích trên bề mặt phân cách môi trường và lượng nổ. Sự lan truyền của sóng xung kích gắn liền với sự tổn thất năng lượng, do đó trên thực tế, đối với lượng nổ thông thường người ta thấy rằng vùng lan truyền của sóng xung kích chỉ xảy ra trong phạm vi (57) lần bán kính vùng nổ [5]. Trong phạm vi ngoài sóng xung kính là sóng nén, sóng nén là nhiễu động không đàn hồi của môi trường, các tham số của nó biến thiên một cách từ từ, tốc độ lan truyền của sóng bằng tốc độ âm của môi trường nghiên cứu. 2.2. Kết luận Chương 2 Khi nổ mìn đào đường hầm, sóng nổ gây phá hủy vỏ chống và khối đá xung quanh là sóng xung kích và sóng nén. Hai loại sóng trên là nguyên nhân sinh ra ứng suất kéo trong vỏ chống và là nguyên gây phá hủy vỏ chống. Có nhiều phương pháp tính toán, mô phỏng áp lực nổ mìn khi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn. Việc lựa chọn mô hình áp lực nổ ảnh
7 hưởng trực tiếp đến kết quả mô hình. Việc lựa chọn mô hình mô phỏng có thể dưạ trên các yếu tố khác nhau như các dữ liệu đầu vào, các kết quả đo đạc thực tế hoặc dựa trên việc có sẵn các mô-đun trong các phần mềm chuyên dụng. Do việc lựa chọn phương pháp mô phỏng áp lực nổ được chọn: Khi có các kết quả đo đạc chuẩn xác, việc mô phỏng áp lực nổ có thể sử dụng công thức (2.37)(2.39), (2.42). Khi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đào đường hầm, thuốc nổ trên gương đường hầm được chia thành nhiều đợt nổ. Trong trường hợp thuốc nổ trên gương đường hầm nổ thành nhiều đợt khác nhau (thời gian vi sai lớn hơn 8 ms) nên chọn mô hình áp lực nổ theo công thức (2.42) (Wang, 1984) [67]. Công thức này do cho phép biểu diễn áp lực theo số đợt nổ trên gương. Trong phần sau của luận án tác giả sử dụng công thức trên để mô phỏng áp lực nổ mìn. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN ĐẾN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM LÂN CẬN THI CÔNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN NỔ MÌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC HIỆN TRƯỜNG 3.1. Các phương pháp đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến công trình lân cận Trên thế giới để đánh giá chấn động nổ mìn có thể tiến hành theo một số phương pháp sau: ❖ Phương pháp 1- Giới hạn tiêu chuẩn PPV: yêu cầu mỗi vụ nổ được giám sát bởi một thiết bị đo chấn động có khả năng giám sát PPV, theo đó PPV nằm dưới mức quy định; ❖ Phương pháp 2 - Tiêu chuẩn tỉ lệ khoảng cách, đòi hỏi các nhà thầu khi thiết kế các vụ nổ với tỉ lệ khoảng cách. Với phương pháp này có thể không cần phải sử dụng thiết bị giám sát. ❖ Phương pháp 3-Tiêu chuẩn đồ thị mức độ chấn động nổ mìn. Nhìn chung ba phương pháp nêu trên đã bao quát được vấn đề đánh giá, các tiêu chuẩn nêu trên có thể áp dụng cho hầu hết các hạng mục công trình. 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến vỏ chống cố định của đường hầm lân cận khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ thông qua phương pháp đo đạc 3.2.1. Khảo sát mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ khoảng cách Trên cơ sở các dữ liệu đo thu được từ các cảm biến đặt trong vỏ chống bê tông cũ của đường hầm Croix-Rousse, Lyon, Pháp, bằng việc khảo sát mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ khoảng cách (𝑆𝐷 = 𝐷/√𝑄) luận án đưa ra biểu đồ tương quan như Hình 3.1 đến Hình 3.6.
8 Hình 3.1. Quan hệ giữa ln(PPV2) và tỉ lệ Hình 3.2. Quan hệ giữa ln(PPV1) và tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm biến A) khoảng cách (D/√𝑄) (cảm biến P trong đoạn PM 220÷PM340) Hình 3.3. Quan hệ giữa ln(PPV2) và tỉ lệ Hình 3.4. Quan hệ giữa ln(PPV3) và tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm biến P tại vị trí PM khoảng cách (D/ √𝑄) (cảm biến P tại vị trí 220÷PM340) PM 220÷PM340) Hình 3.5. Quan hệ giữa ln(PPV) theo ba Hình 3.6. Quan hệ giữa ln(PPV) theo ba phương phương và tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm (V, H, L) và tỉ lệ khoảng cách (D /√𝑄 ) (cảm biến P tại vị trí PM 220÷PM340) biến T tại vị trí PM1400) [15] Dựa trên biểu đồ trên ta tính được các hệ số K và α, từ đó đưa ra công thức dự báo giá trị PPV cho hầm Croix-Rousse: + PPV theo phương thẳng đứng: + PPV theo phương dọc trục: + PPV tổng hợp của ( ) ( ) −1,82 −1.56 cảm biến T1400: PPV = 19,4  D/ Q PPV = 1,93  D/ Q
9 ( ) −1,68 + PPV theo phương nằm ngang: + PPV theo ba phương: PPV = 340  D/ Q ( ) ( ) −2,01 −1,08 PPV = 28,5  D/ Q PPV = 16,44  D/ Q 3.2.2. Khảo sát mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ lượng nạp dựa trên dữ liệu của các cảm biến Bằng các dữ liệu đo đạc tại hiện trường ở trên, kết quả mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ lượng 𝑛 √𝑄 nạp 𝑆𝑐 = theo các công thức của Chapot, công thức của Nhật Bản, công thức của Sodev 𝐷 (Nga), công thức của Ấn Độ được thể hiện trên Hình 3.7. Từ mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ nạp thuốc SC, luận án xây dựng được các công thức kinh nghiệm xác định được giá trị PPV theo các công thức (3.1) ÷ (3.4): a) b) c) d) Hình 3.7. Mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ lượng nạp SC: a-Theo công thức Sodev; b-Theo công thức của Nhật bản; c-Theo công thức của Ấn Độ; d- Theo công thức Chapot (Châu Âu) ( ) ( ) 1,5261 1,2267 PPV = 344,349× 3 Q/D , (3.1) PPV = 8, 214 × 4 Q3 / D , (3.3) ( ) 1, 0186  Q  , (3.2) 1,4172 V = 1681,899   3  PPV = 64,92 Q/D (3.4) 2   D  Kết quả đưa ra bốn công thức kinh nghiệm sử dụng để dự báo giá trị PPV gây ra bởi nổ mìn khi đào đường hầm theo các tiêu chuẩn khác nhau trên thế giới. Trong trường hợp này, công thức (3.4) tìm được có hệ số tương quan lớn nhất được lựa chọn để tính toán. Mặc dù hệ số tương quan còn thấp nhưng đây là những nghiên cứu bước đầu về việc khảo sát PPV theo tỉ lượng nạp do hầu hết các tiêu chuẩn hiện hành hiện nay chưa đề cập.
10 3.2.3. Khối lượng nạp thuốc cho mỗi lần chậm nổ khi đào đường hầm Luận án đã xác định tổng khối lượng nạp của mỗi lần chậm nổ, trên cơ sở đó có thể xác định số lượng lần chậm nổ theo tổng khối lượng thuốc nạp trên gương. Phương pháp tốt nhất để giảm giảm thiểu các tác động tiêu cực của chấn động nổ mìn là tăng số lượng lần chậm nổ, giảm khối lượng thuốc nổ tức thời. -Theo ngưỡng [PPV] ([4]), theo tiêu chuẩn của Pháp, khối lượng nạp lớn nhất cho mỗi lần chậm nổ có thể tính công thức (3.5), ta có: 𝑄𝑚𝑎𝑥1 = 0,002768 × 𝐷2 × [𝑃𝑃𝑉]1,4112 ; mm/s (3.5) -Theo ngưỡng giới hạn thiệt hại giá trị Dib= 0,125, khối lượng nạp lớn nhất cho mỗi lần chậm nổ có thể tính theo công thức (3.6): 𝐾𝑟. 𝜎𝑡𝑑 1,4112 𝑄𝑚𝑎𝑥2 = 286,63𝑥105 𝑥 ( ) × 𝐷2 ; mm/s (3.6) 𝜌.𝐶 -Khối lượng nạp tối đa cho mỗi lần chậm nổ trên gương hầm xác định theo hai điều kiện trên như công thức (3.7): Qmax = min (Qmax1, Q max2) (3.7) Từ khoảng cách giữa hai đường hầm, khoảng cách từ gương hầm đến vị trí quan sát, đặc tính cơ lý của các lớp đất đá đường hầm đào qua, lượng nạp lớn nhất cho mỗi lần chậm nổ được tính ra như trên Bảng 3.1 dựa vào công thức (3.5) ÷ (3.7). Bảng 3.1. Dự báo khối lượng thuốc lớn nhất cho một lần nổ, kg Khối lượng thuốc nổ Khoảng cách giả định giữa hai đường hầm, m tối đa, kg 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 Qmax1, kg 201,6 315,0 453,6 617,4 806,40 Qmax2, kg 283,4 442,8 637,6 867,9 1133,6 Qmax 201,6 315,0 453,6 617,4 806,40 3.4. Khảo sát mối quan hệ giữa RMR của khối đá và các thông số K và α trong công thức của Chapot Trên cơ sở dữ liệu đo đạc, ta tiến hành chia khu vực nghiên cứu thành hai vùng tương ứng, giá trị RMR của khối đá tại vùng 1 là RMR = 6780. Kết quả khảo sát quan hệ giữa PPV và ln(K) và  trong công thức của Chapot cho phép rút ra mối quan hệ giữa PPV và RMR chẳng hạn như trên Hình 3.8 và Hình 3.9.
11 Hình 3.8. Quan hệ giữa RMR và K khi Hình 3.9. Quan hệ giữa “ln(K)”, “”và“RMR” H>0 [12] tại cảm biến P [12] Kết luận: Từ các kết quả trên, chúng tôi rút ra các công thức thực nghiệm dự báo giá trị “PPV” xuất hiện trong khối đá vùng nghiên cứu số 1 khi đường hầm đào trong khối đá granit ở những điều kiện tương tự theo công thức (3.8) ÷ (3.10): − 2,4991.RMR −539,79.RMR +  3 2 ➢ Khi H>0: ( )( PPV = 7.108.e-0,171.RMR . D / Q )  +38736.RMR−921961  ; (3.8) )( − 92,43.RMR2 −13686.RMR+506799) ➢ Khi H
12 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CỦA KHỐI ĐÁ VÀ VỎ CHỐNG 4.1. Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm động Split Hopkinson Pressure Bar Test (SHPB) 4.1.1. Mục đích của thí nghiệm Thí nghiệm SHPB được sử dụng để xác định tính chất cơ học của mẫu đá, xây dựng quy luật ứng xử của mẫu dưới tải trọng động, sự phá hủy mẫu đá/vỏ chống gần giống với sự phá hủy của khối đá/vỏ chống dưới áp lực nổ mìn. Thí nghiệm thực hiện tại Phòng thí nghiệm của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng quốc gia Pháp (INSA Lyon). 4.1.2. Cấu tạo thiết bị thí nghiệm Hệ thống SHPB có cấu tạo trên Hình 4.1, tín hiệu thu được nhờ cảm biến đặt trong thanh tới khi thí nghiệm không mẫu để xác định đặc tính động của thanh như Hình 4.2. 4.1.3. Thiết bị tải trọng Hình 4.1. Hệ thống thí nghiệm SHPB Hình 4.2. Tín hiệu trong thanh tới 4.5. Tính toán đặc tính động học của các thanh Với thí nghiệm không mẫu cho phép xác định được mô đun đàn hồi động của thanh tới: −6 CB=5128 m/s, E d = ρC B = 2,81.5128 .10 = 73,89 ; GPa 2 2 4.6. Thí nghiệm SHBP trên mẫu đá granit Thí nghiệm được tiến hành trên mẫu N°38 với áp lực tăng tương ứng từ 0,10 ÷ 0,35 MPa. Kết quả mẫu N°38 bị phá hủy tại áp lực lên thanh đánh đạt 0,35 MPa. 4.6.1. Thí nghiệm SHBP trên mẫu N°38 với áp lực lên thanh đánh bằng 0,30 MPa Mỗi cảm biến thu được khoảng 60.000 tín hiệu khác nhau trong thí nghiệm. Hình 4.3 thể hiện các tín hiệu dạng điện áp đo được bằng các cảm biến. Theo kết quả trên Hình 4.3, thời gian thanh đánh chuyển động qua hai cảm biến là ∆t=3,26 ms. Khoảng cách giữa hai cảm biến S=50,0 mm nên vận tốc thanh đánh tính theo công thức [53]: Vst=S /∆t=0,05/(3,26.10-3)=15,34 m/s.Dựa trên kết quả thí nghiệm, chúng ta có thể tính toán mô đun đàn hồi động của mẫu N°38: 𝐸𝑑 = (𝜌𝐶𝑆20 ) = (2351,8 × 13252 ) = 4,129𝐺𝑃𝑎. Biến dạng của thanh tới được thể hiện trên Hình 4.5.
13 Hình 4.3. Tín hiệu cảm biến vận tốc [53] Hình 4.4. Biến dạng của thanh tới (cảm biến 5) và thanh truyền (cảm biến 7) theo thời gian 4.6.2. Thí nghiệm SHPB trên mẫu N°38 với áp lực lên thanh đánh bằng 0,35 MPa Tại áp lực lên thanh đánh 0,35 MPa, mẫu bị phá hủy. Vận tốc thanh tới thể hiện trên Hình 4.5 Kết quả ứng suất lớn nhất trong thanh tới là khoảng 144,0 MPa. Tốc độ biến dạng của mẫu với hai giá trị áp lực tác dụng lên thanh đánh là 0,3 MPa và 0,35 MPa như trên Hình 4.6. Hình 4.5. Biểu đồ vận tốc thanh tới Hình 4.6. Tốc độ biến dạng theo thời gian của mẫu đá với áp lực tác dụng lên thanh đánh khác nhau 4.4. Phát triển mô hình số ba chiều 3D mô phỏng thí nghiệm SHPB Việc mô hình số thí nghiệm SHPB cho phép mô phỏng thí nghiệm trong các loại đá khác nhau dựa trên kết quả thí nghiệm. 4.4.1. Kích thước mô hình mô phỏng Hình dạng kích thước mẫu và các thanh cùng mô hình được thể hiện trên Hình 4.7, kích thước các thanh và đặc tính vật liệu được thể hiện trên Bảng 4.2. Hình 4.7. Kích thước mô hình thí nghiệm SHPB 4.4.2. Mô hình áp lực nên thanh chuyển động, loại phần tử và mô hình tiếp xúc
14 Áp lực tác dụng lên thanh đánh có biên độ phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của thanh đánh, vật liệu thanh. Áp lực phụ thuộc vào thời gian có dạng hình thanh như Hình 4.8. Pmax = Pstr .f(t) ; Ptr = 1 .ρ .Sb .C. Vst 2 Trong đó: ρ- Mật độ thanh đánh; kg/m3, Sb- Diện tích mặt cắt ngang thanh đánh; m2, C-Vận tốc truyền trong thanh đánh; m/s, Vst - Vận tốc chuyển động của thanh Hình 4.8. Mô hình áp lực tác dụng đánh; m/s, giá trị thời gian tA = 99µs, tB =101 µs, tC = lên thanh tới 200µs, T = 200 µs. 4.4.3. Các trường hợp nghiên cứu Trường hợp 1: mô hình phá hủy mẫu là mô hình đàn hồi với các thông số cơ học cho mẫu đá  = 2451kg/m3; E=26,5MPa; hệ số Poatxông  = 0,3; mô hình được tiến hành với nhiều trường hợp bằng cách thay đổi kích thước lưới. Việc so sánh kết quả của các trường hợp này sẽ cho phép chọn kích thước lưới phù hợp cho mô hình cho các trường hợp khác; Trường hợp 2: sử dụng mô hình phá hủy đàn-dẻo cho mẫu đá với ứng suất trong mẫu là 117,312 MPa (lấy trung bình ứng suất trong mẫu đá granit bằng 94% ứng suất của đá granit trong thí nghiệm tĩnh); Trường hợp 3: sử dụng mô hình phá hủy Mohr-Coulomb cho mẫu đá, các thông số cho mẫu đá gồm: =53,990; góc dãn nở:  =40; Lực dính kết C=23,07596MPa. 4.4.5. Nhận xét: Giá trị ứng suất lớn nhất thay đổi theo từng mô hình trong đó giá trị ứng suất lớn nhất của mô hình đàn hổi dẻo là lớn hơn mô hình phá hủy Mohr-Coulomb. So sánh kết quả của mô hình số với kết quả thí nghiệm vẫn có sự khác nhau đáng kể. Lý do cho sự khác nhau có thể là do sự khác nhau của mô hình áp lực trong mô hình và áp lực tác dụng lên thanh tới trong thực tế. Một lý do khác là do trong mô hình số, điều kiện biên là chuyển vị của thành truyền được giả thiết là bằng 0 còn trong thực tế không hoàn toàn như vậy. 4.4.6. Kết quả mô hình Hình 4.9. Ứng suất và sự làm việc của mẫu trong mẫu trường hợp 3
15 4.5. Kết luận Chương 4: Thí nghiệm SHPB là thí nghiệm mới chưa từng được thực hiện tại Việt Nam, thí nghiệm được NCS thực hiện tại phòng thí nghiệm thuộc INSA Lyon, Cộng Hòa Pháp. Kết quả thí nghiệm đã được kiểm chứng với các kết quả trước đó nên có độ tin cậy. Qua thí nghiệm SHBP cho thấy sự làm việc của đá dưới tác động của áp lực động (áp lực nổ mìn): quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, sự thay đổi của biến dạng theo thời gian. Các kết quả thí nghiệm cho phép xác định được các thông số động của khối đá và có thể sử dụng làm kết quả đầu vào của mô hình số trong các phần tiếp theo của luận án. Phần mô hình số 3D đã đạt được các kết quả bước đầu như kiểm chứng được sự hội tụ của lưới, sau khi so sánh với kết quả thí nghiệm có thể sử dụng để nghiên cứu các thông số của mẫu, sự tiếp xúc của mẫu và thanh đến kết quả thí nghiệm trong các điều kiện tương tự. 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. Đặt vấn đề 5.2. Xây dựng mô hình số khảo sát ảnh hưởng của chấn động nổ mìn Luận án chọn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mô hình số bằng phần mềm Abaqus. Kích thước các mô hình số 2D, và 3D như trên Hình 5.1 và Hình 5.2. Hình 5.1 Kích thước mô hình 2D [54÷57] Hình 5.2. Kích thước mô hình 3D [57], [59] Trong hình vẽ: 1- Vùng phần tử vô hạn; 2- Biên mô hình giữa hai miền phần tử vô hạn và hữu hạn; 3-Biên của vùng phần tử vô hạn; L0- Chiều dài phần tử vô hạn; B0- Chiều rộng mô hình; H0- Chiều cao mô hình 5.2.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp 5.2.5. Mô hình vật liệu Khối đá xung quanh đường hầm Croix-Rousse đào qua gồm đá granit và gơnai. Trong mô hình, khối đá được giả định là vật liệu đàn hồi-dẻo cùng với quá trình tăng ứng suất-biến dạng tuân theo mô hình Mohr-Coulomb. Vỏ chống bê tông đường hầm được mô phỏng sử dụng mô hình phá hủy dẻo có sẵn trong phần mềm Abaqus. Các thông số động của khối đá và bê tông, quy
16 luật ứng xử vật liệu sử dụng cho mô hình được xác định từ thí nghiệm động học SHPB đã tiến hành ở Chương 4. 5.3. Kiểm tra kích thước lưới và kiểm chứng mô hình số 5.3.1. Mô hình áp lực nổ mìn 5.3.2. Lựa chọn phần tử sử dụng cho mô hình 5.3.3. Kiểm tra kích thước lưới của mô hình Kích thước lưới mô hình được kiểm tra bằng cách sử dụng phương pháp so sánh vận tốc sóng Rayleigh đặt được bằng phương pháp giải tích (theo công thức của Bergmann-Viktorov (E.G. Nesvijski, 2000)) [76] và kết quả mô hình số với kích thước lưới là 0,5m. Giá trị sai khác theo hai phương pháp là 2,71% nên kích thước lưới được xem là phù hợp, đảm bảo độ hội tụ của mô hình. Ngoài ra, kích thước lưới cũng đã được kiểm tra theo điều kiện quan hệ giữa bước sóng và kích thước phần tử (công thức của Lysmer và Kuhlemeyer, 1969 [38]). Phạm vi tần số thông thường của chấn động gây ra bởi nổ mìn cho công trình ngầm dao động trong khoảng (50,0÷100,0) Hz theo (Dowing, 1996 và Yang và n.n.k, 2003) [38]. Với những kiểm chứng trên cho thấy kích thước phần tử đã chọn hoàn toàn thỏa mãn với điều kiện hội tụ của mô hình số. 5.3.4. Kiểm chứng mô hình số Để kiểm chứng mô hình, tác giả đã tiến hành so sánh giá trị PPV đạt được bằng mô hình số với dữ liệu đo đạc thực tế trong vỏ chống bê tông của hầm cũ thuộc dự án hầm Croix- Rousse, Lyon, Pháp ở các vị trí tương đồng. Điểm quan sát gồm điểm quan sát A trong mô hình trùng với vị trí cảm biến A ngoài thực địa; điểm B trùng với vị trí cảm biến P; điểm C Hình 5.3. Các điểm quan sát trùng với vị trí cảm biến T như trên Hình 5.3. Kết quả cho thấy, sai số trung bình giữa hai phương pháp là 14,73 % không lớn có thể chấp nhận được nên mô hình số xây dựng có độ tin cậy. 5.3.5. Nhận xét chung Với việc sử dụng biên loại không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition) nhờ việc sử dụng loại phần tử vô hạn (Infinite Element) có thể cải thiện kết quả của mô hình số đối với bài toán truyền sóng. Kích thước lưới và độ hội tụ của mô hình số 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D) xây dựng trong luận án đã được kiểm chứng đảm bảo độ chính xác cho các kết quả nghiên cứu.
17 5.4. Khảo sát các thông số của mô hình số 5.4.1. Khảo sát sự ảnh hưởng tính chất cơ lý của khối đá và vỏ chống a. Khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số giảm chấn “” đến PPV Việc khảo sát ảnh hưởng của hệ số giảm chấn được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị hệ số giảm chấn tương ứng với bốn trường hợp: =3,0 %; =4,0 %; =5,0 %; =6,0 % cho đá, đối với vỏ chống bê tông =4,0 %. Theo kết quả Hình 5.4, Hình 5.5, Hình 5.6 sau khi so sánh các giá trị PPV đạt được bằng mô hình số và kết quả đạt được bằng phương pháp đo đạc thực tế “DLD” cho thấy: khi giá trị hệ số giảm chấn =5,0% thì sự sai khác giữa hai phương pháp đạt giá trị nhỏ nhất (sự sai khác trung bình tb=16,09 %). Do vậy, giá trị cho khối đá =5,0 % được xem là phù hợp và sẽ được chọn để sử dụng cho các bước tính toán tiếp theo trên mô hình khảo sát. a) b) Hình 5.4.Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn “” đến giá trị PPV tại điểm B [54]: a - PPV theo phương thẳng đứng; b - PPV theo phương nằm ngang Hình 5.5. Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn “” Hình 5.6. Sơ đồ lựa chọn hệ số giảm chấn đến giá trị PPV tại điểm B [14], [54], [56] “” cho mô hình số [14], [57], [54] b. Khảo sát sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động “Ed” đến PPV Chúng tôi tiến hành thay đổi giá trị “Ed” trong khoảng Ed=30,0÷70,0 GPa với biên độ thay đổi 10,0 GPa. Kết quả sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động “Ed” của khối đá đến giá trị PPV trong vỏ chống bê tông liền khối được thể hiện trên các Hình 5.7, Hình 5.8.
18 Hình 5.7. Quan hệ giữa “Ed” và PPV1 tại điểm Hình 5. 8. Quan hệ “Ed” và PPV2 tại điểm B [54] Kết quả nghiên cứu cho thấy: giá trị PPV trong vỏ chống bê tông cố định của đường hầm cũ tỉ lệ nghịch với mô đun đàn hồi động của khối đá xung quanh đường hầm; giá trị PPV đạt được bằng phương pháp khảo sát mô hình số khi mô đun đàn hồi động Ed=60,0 GPa có kết quả tương đối giống với giá trị đạt được bằng phương pháp đo đạc thực tế (sự sai khác trung bình giữa hai phương pháp  tb=16,09 %). Do đó, giá trị mô đun đàn hồi động Ed=60,0 GPa đạt được từ thí nghiệm SHPB đủ độ tin cậy và được sử dụng cho những nghiên cứu dưới đây. c. Khảo sát sự ảnh hưởng của mô hình phá hủy vật liệu Hai mô hình phá hủy vật liệu được lựa chọn cho khối đá để khảo sat gồm: mô hình đàn hồi tuyến tính và mô hình Mohr-Coulomb. Các giá trị PPV (mm/s) đạt được với hai mô hình phá hủy vật liệu khác nhau được lựa chọn ở trên và theo phương pháp đo đạc hiện trường thể hiện trên Hình 5.9, Hình 5.10. Kết quả cho thấy có một sự phù hợp về giá trị của PPV đạt được bằng mô hình số với mô hình phá hủy của khối đá là Mohr-Coulomb và dữ liệu đo đạc tại hiện trường. Ngược lại, giá trị PPV đạt được khi sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính cao hơn khoảng 50,0 % so với dữ liệu đo đạc hiện trường như trên Hình 5.10. Hình 5.9. Tổng hợp sự ảnh hưởng của mô Hình 5.10. Ảnh hưởng của mô hình phá hủy đun đàn hồi động “Ed” đến giá trị PPV vật liệu đến PPV của vỏ chống bê tông [56] Đây là cơ sở quan trọng để đưa ra nhận định: mô hình đàn hồi tuyến tính không đủ phức tạp và không đủ khả năng sử dụng trong bài toán động nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn. Do đó, mô hình phá hủy Mohr-Coulomb được chọn để sử dụng trong toàn bộ luận án.