Tổng quan luận án

Trong tiến trình phát triển cơ sở hạ tầng giao thông và đô thị ngầm, nhu cầu thi công các tuyến đường hầm mới hoặc mở rộng các hầm hiện hữu nằm song song, cận kề với các công trình ngầm sẵn có ngày càng gia tăng. Tại Việt Nam, nhiều dự án thực tế đã xuất hiện điều kiện thi công này, điển hình như dự án hầm đường bộ Cổ Mã (thuộc dự án Đèo Cả) đào gần như song song với hầm đường sắt số 24 ở khoảng cách gần nhất là 47,0 m (công trình vỏ bê tông được xây dựng từ thời Pháp cách đây khoảng 100 năm), hoặc dự án mở rộng hầm lánh nạn song song với hầm chính Hải Vân ở khoảng cách tim hai hầm chỉ khoảng 30,0 m. Khi áp dụng phương pháp khoan nổ mìn để đào mở rộng hoặc đào mới, năng lượng sóng nổ giải phóng không chỉ phá vỡ đất đá tại gương đào mà còn lan truyền trong môi trường khối đá, gây rung chấn và đe dọa trực tiếp đến độ an toàn, tính ổn định của kết cấu vỏ chống đường hầm lân cận.

Khoảng trống nghiên cứu thực tế tại Việt Nam cho thấy: các nghiên cứu về sóng nổ trước đây chủ yếu tập trung vào các công trình ngầm quân sự chịu tải trọng nổ bom đạn trên mặt đất hoặc nổ đơn độc vùng nông; các tính toán mô phỏng thường áp dụng thông số cơ học tĩnh thay vì thông số động; bỏ qua ảnh hưởng của hệ số giảm chấn, điều kiện biên hấp thụ sóng không phản xạ; đồng thời đa số dừng lại ở mô hình phẳng hai chiều (2D) trong mặt cắt gương hầm mà chưa đánh giá được toàn diện không gian ba chiều (3D) dọc theo trục hầm ở các vị trí phía trước và phía sau gương đào.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ được thi công theo công nghệ truyền thống đổ tại chỗ bằng ván khuôn di động hoặc ván khuôn lắp ghép, có lớp bê tông lấp đầy bám chặt vào khối đá (xem xét theo sơ đồ lớp lát hàn), chịu tác dụng trực tiếp của sóng chấn động nổ mìn từ đường hầm mới đào bên cạnh.
  • Phạm vi nghiên cứu về mặt học thuật và không gian: Môi trường khối đá được giả định là môi trường đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng, chưa xét đến tính nứt nẻ và mặt phân cách; liên kết giữa vỏ bê tông hầm cũ và khối đá là liên kết cứng liên tục cùng dao động. Nguồn dữ liệu thực nghiệm hiện trường được thu thập và phân tích từ dự án đường hầm Croix-Rousse (Lyon, Cộng hòa Pháp) với chiều dài 1757,5 m, diện tích mặt cắt ngang 84,10 m2, khoảng cách hai trục hầm là 42,6 m trong nền đá granit có độ bền nén trên 120 MPa; kết hợp thí nghiệm mẫu đá trong phòng thí nghiệm tại INSA Lyon (Pháp) và các dữ liệu liên quan tại Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu về chấn động nổ mìn tác động đến công trình ngầm trên thế giới và tại Việt Nam được luận án phân loại thành 4 nhóm phương pháp chính:

Nhóm phương pháp giải tích: Các nghiên cứu lý thuyết truyền sóng dựa trên tích phân và lý thuyết tia của Pao Y.; Wersall C. (2008) ứng dụng toán tử Laplace và Fourier giải bài toán đường hầm tròn chịu áp lực nổ; Li và đồng nghiệp (2008) đưa ra giải pháp đánh giá ứng xử vỏ hầm qua vận tốc dao động phần tử đỉnh (PPV) và phân bố ứng suất. Tại Việt Nam, Hoàng Thị Hồng ứng dụng mô hình Kelvin và Poynting-Thomson cho buồng nổ hình cầu và hình trụ; Nguyễn Xuân Mãn xác định bán kính phá hủy của lượng thuốc nổ đơn độc trong môi trường đàn hồi; Nguyễn Hải Hưng sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp Newmark giải bài toán dao động của hầm quân sự. Các phương pháp giải tích có hạn chế lớn là chỉ giải được cho tiết diện hầm hình tròn đơn giản và môi trường đồng nhất.

Nhóm phương pháp mô hình vật lý tương đương: Khosrow B. (1998) thí nghiệm mô hình hầm thép kích thước 150 × 100 × 500 mm, vỏ dày 3,0 mm chịu sóng nổ; Yang (1997) dùng mô hình 1-G khảo sát ảnh hưởng khe nứt; Lê Đình Tân chế tạo mô hình hầm vòm bằng thép bản đặt trong thùng cát san hô 100 × 100 × 100 cm chịu tải trọng va đập từ vật nặng 5 kG. Phương pháp này có chi phí cao, khó mô phỏng đầy đủ tỷ lệ hình học và điều kiện địa chất phức tạp.

Nhóm phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường: Ansell (2004), Ahmed A. đo đạc 46 vụ nổ kết hợp 96 chuỗi dữ liệu để thiết lập công thức xác định lượng thuốc nổ nạp cho phép lớn nhất; Lu và Hustrulid (2003) chỉ ra ngưỡng PPV giới hạn cho vỏ hầm cũ lân cận là 0,22 m/s; Lê Đình Tân thực hiện đo đạc tại hầm Truông Khấp (Nghệ An); Nguyễn Hữu Thế nổ mìn thực nghiệm trong đá san hô tại đảo Sơn Ca (quần đảo Trường Sa); Đặng Văn Kiên cùng các tác giả phân tích dữ liệu 54 vụ nổ tại dự án hầm Croix-Rousse (Lyon, Pháp). Phương pháp này phản ánh điều kiện thực nhưng phụ thuộc thiết bị đo và điều kiện hiện trường.

Nhóm phương pháp mô hình số: Sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Abaqus, LS-DYNA, Plaxis, Autodyn (MineBlast). Các tác giả như Shin và đồng nghiệp (2011), Lu và đồng nghiệp (2005), Saharan và Mitri (2008), Wu Ch., Liang Q. (2012), Xia và đồng nghiệp đã phân tích chấn động nổ mìn vi sai và lan truyền sóng nổ.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án giải quyết bao gồm:

  • Xác định các thông số động học thực tế của khối đá và vỏ chống bê tông thông qua thí nghiệm động học chuyên dụng.
  • Khảo sát sự suy giảm chấn động và xác định hệ số giảm chấn phù hợp cho bài toán tương tác động lực học.
  • Ứng dụng điều kiện biên không phản xạ (NRBC) với phần tử vô hạn (IE) trong không gian ba chiều (3D) nhằm khảo sát trường rung chấn dọc theo trục đường hầm cũ, bao gồm cả các phân đoạn nằm phía trước và phía sau mặt phẳng gương đào mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án ứng dụng lý thuyết truyền sóng đàn hồi trong môi trường vật rắn liên tục, đồng nhất và đẳng hướng. Hệ phương trình vi phân chuyển động của phần tử đá dựa trên định luật II Newton và định luật Hooke:

$$\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = \frac{E}{\rho} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}$$

Trong đó $u$ là độ chuyển dời của phần tử, $t$ là thời gian, $E$ là mô đun đàn hồi, $\rho$ là khối lượng thể tích của môi trường. Vận tốc truyền sóng dọc phẳng trong môi trường đàn hồi được xác định qua công thức $c_{tr} = \sqrt{E/\rho}$.

Trong không gian ba chiều, sóng ứng suất bao gồm sóng khối (sóng nén P, sóng cắt S) và sóng bề mặt (sóng Rayleigh, sóng Love). Quá trình nổ mìn trong khối đá hình thành 4 vùng cơ học:

  • Vùng nén ép (bán kính từ 3 đến 7 lần bán kính lượng nổ $r_0$): chịu sóng xung kích cường độ cao, đất đá bị nghiền vụn và biến dạng dẻo.
  • Vùng vỡ vụn: đất đá nứt nẻ hướng tâm và tiếp tuyến mạnh.
  • Vùng long rời (phạm vi từ 120 đến 150 lần bán kính lượng nổ): hình thành các khe nứt phát triển nhưng không bị văng tách.
  • Vùng chấn động: biến dạng đàn hồi thuần túy, môi trường dao động nhưng không bị phá hủy liên kết.

Lý thuyết tính toán kết cấu ngầm chịu tải trọng động phân chia làm hai trường hợp:

  • Lớp lát hàn: thỏa mãn điều kiện mô đun đàn hồi đất đá lớn hơn vật liệu vỏ chống ($E_0 > E$), ứng suất chu vi nhỏ hơn giới hạn cho phép, kết cấu liên kết cứng và dao động đồng bộ với đất đá, chỉ tính toán tải trọng do sóng nổ.
  • Lớp lát lồng: áp dụng khi $E_0 < E$ hoặc khối đá nứt nẻ nhiều, xuất hiện sự trượt tương đối giữa vỏ hầm và môi trường xung quanh.

Đánh giá mức độ phá hủy cấu trúc dựa trên chỉ số phá hủy nổ mìn BDI (Blast Damage Index - $D_{ib}$):

Mức chỉ số $D_{ib}$ Trạng thái phá hủy trong khối đá bao quanh và vỏ chống bê tông cũ
$D_{ib} \le 0{,}125$ Không xuất hiện hư hỏng hay phá hủy cấu trúc
$0{,}125 < D_{ib} \le 0{,}50$ Xuất hiện các vết nứt nhỏ cục bộ
$0{,}50 < D_{ib} \le 1{,}0$ Hình thành hệ thống vết nứt rõ rệt và bong tróc bề mặt
$D_{ib} > 1{,}0$ Phá hủy nghiêm trọng kết cấu vỏ chống và khối đá

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ 4 phương pháp:

  1. Phương pháp phân tích tổng hợp: Xử lý hệ thống số liệu đo đạc thực tế từ các dự án xây dựng đường hầm.
  2. Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Sử dụng hệ thống thí nghiệm thanh ép động Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tại INSA Lyon trên các mẫu đá granit hình trụ (đường kính 45,0 mm, chiều cao 100,0 mm) dưới các mức áp lực nén thanh đánh 0,30 MPa và 0,35 MPa; ứng dụng mạch cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng để đo vận tốc, tốc độ biến dạng và ứng suất động.
  3. Phương pháp đo đạc hiện trường: Sử dụng hệ thống cảm biến đo địa chấn Géophone (các nhóm cảm biến P, T, A, C100) có dải tần số thấp ($f = 130\text{ Hz}$) đặt trong vỏ bê tông hầm cũ Croix-Rousse để thu thập giá trị PPV theo 3 phương: thẳng đứng (V), nằm ngang (H) và dọc trục hầm (L).
  4. Phương pháp mô hình số: Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để xây dựng mô hình 2D và 3D. Sử dụng phần tử vô hạn (Infinite Element - IE) để thiết lập điều kiện biên không phản xạ (NRBC), mô phỏng áp lực nổ vi sai trên gương hầm và khảo sát trường sóng chấn động.

Nội dung chính theo từng chương

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 1 tổng hợp các sự cố công trình ngầm do nổ mìn trên thế giới (như vụ nổ hầm lấy nước Port Huron năm 1971 tại Mỹ, sự cố hầm đường sắt Jiuguaidao năm 1980 tại Trung Quốc làm sạt lở $3000{,}0\text{ m}^3$ đất đá) và phân tích các dự án thực tế tại Việt Nam (hầm Cổ Mã, mở rộng hầm lánh nạn Hải Vân).

Chương 1 hệ thống hóa các tiêu chuẩn quốc tế về giới hạn vận tốc dao động phần tử đỉnh $[PPV]$:

  • Tiêu chuẩn Úc AS 2187: giới hạn theo loại công trình và dải tần số.
  • Tiêu chuẩn Đức DIN 4150-3 (1999-02): quy định mức rung chấn cho phép đối với kết cấu xây dựng và công trình ngầm.
  • Tiêu chuẩn Thụy Sĩ SN 640 312:1978: đánh giá mức chấn động theo tần số dao động.
  • Tiêu chuẩn Trung Quốc GB 6722-2003: quy định cụ thể giá trị $[PPV]$ cho các loại kết cấu ngầm.

Nội dung chương khẳng định tính tất yếu của việc tích hợp thí nghiệm động SHPB, dữ liệu đo đạc thực tế hiện trường và mô phỏng số 3D có xét đến biên không phản xạ để giải quyết bài toán thi công hầm đôi cận kề.

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

Chương 2 trình bày cơ chế truyền dẫn sóng địa chấn từ nguồn nổ trong môi trường đất đá đàn hồi - dẻo. Khối thuốc nổ khi kích nổ tạo áp suất cực lớn sinh ra sóng nén P và sóng cắt S tác động lên đường hầm lân cận, trong khi công trình bề mặt chịu thêm tác động của sóng bề mặt Rayleigh.

Các công thức cơ bản xác định xung riêng $i$, tải trọng tĩnh tương đương $P_{td}$ và áp lực cực đại của sóng nén $P_m$ tác dụng lên vỏ hầm:

$$i = K_1 \frac{C^{2/3}}{D}$$

$$P_{td} = \omega \cdot i \frac{C^{2/3}}{D}$$

$$P_m = a \left(\frac{\sqrt[3]{C}}{D}\right)^n$$

Trong đó: $C$ là khối lượng thuốc nổ nạp (kg); $D$ là khoảng cách từ tâm nổ đến vị trí khảo sát (m); $K_1$, $a$, $n$ là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đất đá (với đất đá sét $a = 18$, $n = 2{,}8$; đất đá á sét $a = 8$, $n = 3{,}0$); thời gian tác dụng tải trọng sóng nén $\tau = c \sqrt[3]{C} + b$.

Chương 2 cũng phân tích sự phân bố ứng suất tiếp xúc và hệ số tập trung ứng suất động đối với trường hợp vỏ hầm dạng lớp lát hàn, đặt cơ sở lý thuyết cho việc thiết lập hàm tải trọng nổ theo thời gian trong các mô hình số.

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 cận thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường

Chương 3 trình bày chi tiết kết quả thực nghiệm tại dự án đường hầm Croix-Rousse (Lyon, Pháp). Khối đá đường hầm đào qua là đá granit có giá trị phân loại chất lượng khối đá RMR được khảo sát dọc tuyến.

Các phân tích số liệu đo sóng chấn động bằng cảm biến Géophone thu được:

  • Quan hệ logarit giữa vận tốc dao động đỉnh $\ln(PPV)$ và tỷ lệ khoảng cách đồng dạng $(D / \sqrt{Q})$ theo 3 phương (thẳng đứng V, ngang H, dọc L), trong đó $Q$ là lượng thuốc nổ lớn nhất cho một lần nổ (kg) và $D$ là khoảng cách (m).
  • Thiết lập mối tương quan giữa chỉ số chất lượng khối đá RMR với hệ số truyền chấn $\ln(K)$, $K$ và hệ số suy giảm $\alpha$ trong công thức kinh nghiệm Chapot:

$$PPV = K \left(\frac{D}{\sqrt{Q}}\right)^{-\alpha}$$

Nhóm dữ liệu cảm biến Điều kiện vị trí tương đối ($H$) Mối quan hệ tương quan thực nghiệm
Cảm biến P $H > 0$ Khảo sát quan hệ giữa $\ln(K)$, $\alpha$ và RMR vùng 1
Cảm biến P $H < 0$ Khảo sát quan hệ giữa $\ln(K)$, $\alpha$ và RMR vùng 1
Cảm biến P $0 < H < 45\text{ m}$ Xác lập tương quan hàm số giữa $K$, $\alpha$ với RMR
Cảm biến T $H > 0$ và $H < 0$ Khảo sát tương quan $\ln(K)$, $K$, $\alpha$ với RMR vùng 2

Từ các kết quả đo thực tế, tác giả tính toán được giá trị $[PPV]$ an toàn và dự báo lượng thuốc nổ nạp lớn nhất cho một lần kích nổ ($Q_{max}$) nhằm bảo vệ an toàn cho vỏ bê tông của hầm cũ.

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

Chương 4 tập trung vào việc xác định các đặc tính cơ lý động lực học của vật liệu đá granit và bê tông khi chịu tải trọng va đập tốc độ biến dạng cao bằng thiết bị SHPB tại phòng thí nghiệm INSA Lyon.

Quy trình thí nghiệm và mô phỏng bao gồm:

  • Thiết bị gồm thanh đánh, thanh tới và thanh truyền có gắn cảm biến biến dạng kết nối mạch cầu Wheatstone.
  • Thực hiện kiểm tra trên mẫu đá granit hình trụ kích thước chuẩn $D = 45{,}0\text{ mm}$, $H = 100{,}0\text{ mm}$ (điển hình như mẫu số N°38).
  • Ghi nhận và xử lý tín hiệu điện áp, chuyển đổi thành đồ thị sóng ứng suất tới ($\varepsilon_i$), sóng phản xạ ($\varepsilon_r$) và sóng truyền qua ($\varepsilon_t$).
  • Thiết lập biểu đồ quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và tốc độ biến dạng theo thời gian ở các mức áp lực nén khí 0,30 MPa và 0,35 MPa.
  • Xây dựng mô hình số phần tử hữu hạn 3D mô phỏng lại toàn bộ quá trình thí nghiệm SHPB, tiến hành phân tích độ nhạy của kích thước lưới phần tử và số lượng phần tử nhằm kiểm chứng tính chính xác của thuật toán tính toán động.

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

Chương 5 xây dựng mô hình số 2D và 3D bằng phần mềm Abaqus để mô phỏng tương tác giữa đường hầm mới và đường hầm cũ:

  • Thiết lập điều kiện biên không phản xạ NRBC sử dụng phần tử vô hạn IE xung quanh miền tính toán để triệt tiêu hiện tượng sóng phản xạ nhân tạo từ biên mô hình.
  • Kiểm chứng mô hình số thông qua việc đối sánh kết quả tính toán PPV tại điểm quan sát A với số liệu đo đạc thực tế tại dự án Croix-Rousse.
  • Khảo sát các thông số đầu vào ảnh hưởng đến dao động của vỏ hầm:
    • Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn ($\xi$): Kết quả chỉ ra hệ số giảm chấn có ảnh hưởng tỷ lệ nghịch rõ rệt đến giá trị đỉnh PPV; giá trị hệ số giảm chấn thích hợp cho khối đá và vỏ bê tông được xác định là $\xi = 5{,}0%$.
    • Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động ($E_d$): Khảo sát sự thay đổi của PPV theo các phương thẳng đứng và nằm ngang khi $E_d$ biến thiên.
    • Ảnh hưởng của các mô hình phá hủy vật liệu khác nhau đến biên độ chấn động.
    • Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai tim đường hầm và chiều dài kích thước mô hình số.
  • Đánh giá trường rung chấn theo phương dọc trục hầm: Khảo sát khoảng cách tương đối $D_x$ từ mặt phẳng gương hầm mới đến các điểm quan sát trên vỏ hầm cũ lân cận. Kết quả chỉ ra vùng rung chấn cực đại xuất hiện trên vách hầm cũ đối diện trực tiếp với gương nổ mìn và suy giảm dần về hai phía trước, sau gương hầm.
  • Ứng dụng chỉ số phá hủy nổ mìn BDI ($D_{ib}$) để khoanh vùng các vị trí có nguy cơ nứt nẻ trên vỏ hầm cũ và khối đá xung quanh.
  • Xây dựng công thức kinh nghiệm tổng quát dự báo giá trị PPV xuất hiện trong vỏ bê tông của đường hầm lân cận dọc theo chiều dài hầm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xác định thành công các thông số động học của đá granit thông qua thí nghiệm thanh ép động Hopkinson (SHPB) kết hợp mô phỏng số 3D, làm sáng tỏ mối quan hệ phụ thuộc giữa ứng suất, biến dạng và tốc độ biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng xung động dạng sóng nổ.
  2. Xây dựng và kiểm chứng hoàn chỉnh mô hình số 2D và 3D sử dụng phần tử vô hạn (IE) làm biên không phản xạ (NRBC) trên phần mềm Abaqus. Chứng minh quy luật ảnh hưởng nghịch đảo của hệ số giảm chấn đến giá trị PPV trong kết cấu hầm và xác định được giá trị hệ số giảm chấn phù hợp là $\xi = 5{,}0%$.
  3. Thiết lập mối quan hệ định lượng giữa chỉ số chất lượng khối đá RMR với các thông số truyền sóng ($\ln(K)$, $K$, $\alpha$) trong công thức Chapot, mở rộng cơ sở lý thuyết dự báo lan truyền chấn động nổ mìn trong môi trường địa chất phức tạp.
  4. Làm sáng tỏ quy luật phân bố chấn động không gian 3D dọc theo trục hầm cũ lân cận, xác định vị trí tập trung ứng suất và trường dao động cực đại tương ứng với tọa độ gương hầm mới.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Đề xuất hệ thống công thức kinh nghiệm cho phép dự báo nhanh giá trị PPV và khối lượng thuốc nổ nạp lớn nhất cho một lần kích nổ ($Q_{max}$) khi đào hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn trong môi trường đá granit.
  2. Ứng dụng chỉ số phá hủy BDI ($D_{ib}$) để đánh giá định lượng mức độ tổn hại của vỏ bê tông cũ và khối đá xung quanh, phục vụ trực tiếp cho công tác kiểm soát an toàn thi công tại các dự án hầm song song như mở rộng hầm lánh nạn Hải Vân và hầm Cổ Mã tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án căn cứ theo phạm vi nghiên cứu đã xác định:

  • Luận án giả thiết môi trường đất đá là đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng; chưa mô phỏng chi tiết ảnh hưởng của hệ thống khe nứt, đứt gãy kiến tạo và các mặt phân lớp địa chất đến sự suy giảm, khúc xạ và tán xạ của sóng nổ.
  • Mô hình làm việc của kết cấu vỏ chống bê tông liền khối và khối đá được giả thiết là liên kết cứng liên tục (lớp lát hàn), chưa xét đến trạng thái tiếp xúc trượt, tách rời cục bộ hoặc lớp lót đệm phân cách (trường hợp lớp lát lồng).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng mô hình số khảo sát môi trường khối đá không liên tục có xét đến hệ thống khe nứt phân bố ngẫu nhiên và ảnh hưởng của áp lực nước ngầm.
  • Nghiên cứu cơ chế tương tác động lực học giữa đất đá và vỏ hầm có xét đến các dạng liên kết tiếp xúc phi tuyến, vỏ chống bê tông phun kết hợp neo đá và lưới thép.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tham khảo phương pháp thiết lập bài toán động lực học công trình ngầm, quy trình thí nghiệm nổ mìn - SHPB và kỹ thuật mô phỏng phần tử vô hạn trong Abaqus.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Sử dụng các dữ liệu thực nghiệm hiện trường tại hầm Croix-Rousse và phương pháp luận tính toán tương tác sóng nổ - kết cấu ngầm trong công tác giảng dạy chuyên ngành Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và quản lý thi công: Ứng dụng các công thức thực nghiệm tính toán $Q_{max}$, ngưỡng kiểm soát $[PPV]$ và phương pháp đánh giá hư hỏng BDI để lập biện pháp thi công nổ mìn an toàn khi đào hầm mới cận kề công trình ngầm hiện hữu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu cần xác định thông số động của đá bằng thí nghiệm SHPB thay vì dùng thông số cơ học tĩnh?

Dưới tác dụng của tải trọng nổ mìn, đất đá và vỏ chống chịu tốc độ biến dạng rất cao ($10^1$ đến $10^3\text{ s}^{-1}$). Thí nghiệm SHPB cho phép xác định chính xác mô đun đàn hồi động, độ bền động và phản ứng ứng suất - biến dạng thực tế của vật liệu dưới tác động của tải trọng xung ngắn hạn, giúp mô hình số phản ánh chính xác trạng thái chịu lực thay vì sử dụng thông số tĩnh thông thường.

2. Giá trị hệ số giảm chấn được luận án xác định và áp dụng trong mô hình số là bao nhiêu?

Qua quá trình khảo sát tham số trên mô hình số Abaqus và so sánh với số liệu đo đạc thực tế tại hầm Croix-Rousse, tác giả xác định giá trị hệ số giảm chấn thích hợp của môi trường khối đá và vỏ bê tông là $\xi = 5{,}0%$. Khi hệ số giảm chấn tăng lên thì biên độ dao động và giá trị PPV trong vỏ hầm suy giảm rõ rệt.

3. Điều kiện biên không phản xạ (NRBC) được thiết lập như thế nào trong mô hình Abaqus?

Để ngăn chặn hiện tượng sóng ứng suất phản xạ ngược từ biên nhân tạo vào miền tính toán gây sai lệch kết quả, tác giả sử dụng các phần tử vô hạn (Infinite Elements - IE) bao quanh biên của mô hình phần tử hữu hạn (FEM), tạo thành điều kiện biên hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng truyền tới.

4. Vỏ chống bê tông đường hầm cũ được mô hình hóa theo sơ đồ làm việc nào?

Vỏ hầm cũ được mô hình hóa theo sơ đồ "lớp lát hàn", tức là lớp bê tông liền khối bám chặt hoàn toàn vào khối đá xung quanh ($E_0 > E$), chuyển vị và dao động đồng bộ với đất đá, chỉ tiếp nhận và chịu tác động trực tiếp của tải trọng sóng chấn động nổ mìn mà không tính toán áp lực đất đá tĩnh.

5. Chỉ số BDI ($D_{ib}$) được sử dụng nhằm mục đích gì trong đánh giá an toàn vỏ hầm?

Chỉ số phá hủy nổ mìn BDI được dùng để định lượng hóa mức độ hư hại của vỏ bê tông và khối đá xung quanh hầm cũ. Dựa vào các ngưỡng giá trị của $D_{ib}$ (từ mức an toàn $\le 0{,}125$ đến mức phá hủy nghiêm trọng $> 1{,}0$), kỹ sư có thể dự báo các vùng xuất hiện vết nứt hoặc phá hoại cấu trúc để điều chỉnh quy mô nổ mìn kịp thời.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán đánh giá ảnh hưởng của sóng chấn động nổ mìn từ quá trình thi công hầm mới đến kết cấu vỏ bê tông của đường hầm lân cận. Bằng việc tích hợp giữa thí nghiệm động SHPB, số liệu đo thực nghiệm tại hầm Croix-Rousse và mô phỏng số 2D/3D có biên vô hạn, công trình đã xác lập các quy luật suy giảm chấn động, chỉ ra hệ số giảm chấn phù hợp ($\xi = 5{,}0%$) và thiết lập công thức dự báo PPV theo chỉ số chất lượng khối đá RMR. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực tiễn phục vụ công tác thiết kế, giám sát thi công nổ mìn an toàn cho các công trình ngầm liền kề tại Việt Nam.