Luận án tiến sĩ 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 phân tích ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận, đưa ra giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Đặng Văn Kiên
• Người hướng dẫn: GS. Võ Trọng Hùng
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công đường hầm

Chương này trình bày tổng quan về ảnh hưởng chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến các công trình ngầm lân cận. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá tác động của kỹ thuật nổ mìn đến kết cấu ngầm, đặc biệt là trong bối cảnh các dự án hầm mới được xây dựng gần các hầm cũ. Các vấn đề chính bao gồm: đánh giá rủi ro, an toàn công trình, và tác động môi trường. Nghiên cứu cũng đề cập đến các phương pháp giám sát chấn động và đo đạc chấn động để đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận.

1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới

Phần này phân tích các nghiên cứu quốc tế về chấn động nổ mìn và ảnh hưởng của nó đến công trình ngầm lân cận. Các nghiên cứu tập trung vào việc xác định các thông số động lực học đất và thiết kế đường hầm để giảm thiểu tác động của chấn động. Các phương pháp giảm chấn và quản lý rủi ro cũng được đề cập.

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Nghiên cứu tại Việt Nam tập trung vào các dự án hầm như Hải Vân và Cổ Mã, nơi chấn động nổ mìn đã gây ra các vấn đề về an toàn công trình. Các phương pháp đo đạc chấn động và giám sát chấn động được áp dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến các kết cấu ngầm lân cận.

II. Lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá

Chương này trình bày lý thuyết về truyền sóng trong môi trường đất đá và phương pháp xác định ảnh hưởng của sóng nổ lên kết cấu đường hầm. Các loại sóng chấn động được phân tích, bao gồm sóng P, sóng S, và sóng bề mặt. Phương trình truyền sóng trong môi trường đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng được trình bày chi tiết. Nghiên cứu cũng đề cập đến các phương pháp mô phỏng áp lực nổ và đánh giá rủi ro.

2.1. Phương trình truyền sóng nổ

Phần này trình bày phương trình truyền sóng nổ trong môi trường đất đá, bao gồm các yếu tố như động lực học đất và đặc tính tải trọng sinh ra do sóng nổ. Các phương pháp mô phỏng áp lực nổ được phân tích để đánh giá ảnh hưởng đến kết cấu đường hầm.

2.2. Phương pháp mô phỏng áp lực nổ

Các phương pháp mô phỏng áp lực nổ được trình bày, bao gồm mô hình số 2D và 3D. Các thông số nghiên cứu như PPV (Peak Particle Velocity) và tần số dao động được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn.

III. Nghiên cứu thực nghiệm về chấn động nổ mìn

Chương này trình bày các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận. Các phương pháp đo đạc chấn động và giám sát chấn động được áp dụng tại các dự án hầm cụ thể. Kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa RMR (Rock Mass Rating) và các thông số động lực học đất.

3.1. Đo đạc chấn động tại hiện trường

Phần này trình bày các phương pháp đo đạc chấn động tại hiện trường, bao gồm việc sử dụng các cảm biến để đo PPV và biến dạng. Kết quả đo đạc được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm.

3.2. Khảo sát mối quan hệ giữa RMR và thông số động lực học

Nghiên cứu khảo sát mối quan hệ giữa RMR và các thông số động lực học đất như K và α. Kết quả cho thấy sự tương quan giữa RMR và các thông số này, giúp đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm.

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

Chương này tập trung vào việc nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống đường hầm. Các phương pháp thí nghiệm động như SHPB (Split Hopkinson Pressure Bar) được sử dụng để xác định các thông số động lực học. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc phát triển các mô hình số 3D để mô phỏng thí nghiệm động.

4.1. Thí nghiệm động SHPB

Phần này trình bày phương pháp thí nghiệm động SHPB để xác định các thông số động lực học của khối đá. Các kết quả thí nghiệm được sử dụng để đánh giá độ bền động của khối đá và vỏ chống đường hầm.

4.2. Phát triển mô hình số 3D

Nghiên cứu phát triển mô hình số 3D để mô phỏng thí nghiệm động SHPB. Mô hình này giúp đánh giá độ ổn định của kết cấu đường hầm dưới tác động của chấn động nổ mìn.

V. Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn bằng phương pháp số

Chương này trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận bằng phương pháp số. Các mô hình số 2D và 3D được xây dựng để khảo sát ảnh hưởng của chấn động nổ mìn. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc đánh giá độ ổn định của vỏ chống và khối đá xung quanh đường hầm.

5.1. Xây dựng mô hình số 2D và 3D

Phần này trình bày quá trình xây dựng mô hình số 2D và 3D để khảo sát ảnh hưởng của chấn động nổ mìn. Các mô hình này giúp đánh giá độ ổn định của kết cấu đường hầm dưới tác động của sóng nổ.

5.2. Đánh giá độ ổn định của vỏ chống và khối đá

Nghiên cứu đánh giá độ ổn định của vỏ chống và khối đá xung quanh đường hầm dưới tác động của chấn động nổ mìn. Các kết quả nghiên cứu giúp xác định các biện pháp giảm chấn và quản lý rủi ro.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. 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. 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. 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.

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. 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. 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. 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.

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 5 các yêu cầu về giao thông (Hình 1. Với các dự án đường hầm mới được đào ngay dưới lòng thành phố (ví dụ đường hầm Croix-Rousse, Lyon) việc nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến các công trình bề mặt cũng rất được quan tâm (Hình 1. Luận án tiến hành xây dựng các mô hình số cho phép nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến sự ổn định của vỏ chống bê tông của đường hầm lân cận dựa trên các số liệu đo đạc hiện trường tại dự án Croix-Rousse (Pháp). Việc nghiên cứu khảo sát các thông số của mô hình sẽ cho phép rút ra được những kết quả cần thiết để có thể điều chỉnh các thông số khoan nổ mìn nhằm giảm thiểu chấn động nổ mìn đến vỏ chống bê tông của đường hầm lân cận trong những điều kiện xây dựng tương tự.

Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình ngầm lân cận khi thi công đường hầm bằng phương pháp khoan nổ mìn Vấn đề nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động do nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu chống giữ của đường hầm lân cận đã được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm và đã có nhiều kết quả được công bố. Các phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng trong các nghiên cứu bao gồm: phương pháp giải tích; phương pháp nghiên cứu trên mô hình tương đương; phương pháp đo thực nghiệm hiện trường; phương pháp nghiên cứu trên mô hình số. Các phương pháp giải tích Các phương pháp giải tích tương đối hiếm, chủ yếu thông qua phương pháp tích phân và lý thuyết tia của Pao Y. Ngoài ra, Wersall C.

(2008) [92] sử dụng một giải pháp chuyển dạng kín cho trường hợp đường hầm hình tròn chịu áp lực nổ. Tại đây, áp lực nổ được mô phỏng như một nguồn hữu hạn tác động. Giải pháp đạt được bằng cách sử dụng toán tử Laplace cùng với mối quan hệ với thời gian và toán tử Fourier cùng mối quan hệ với tọa độ. Các nghiên cứu của Li và n.k [66] đã thể hiện một phương pháp giải tích đánh giá ứng xử của vỏ chống đường hầm thông qua việc đánh giá giá trị của PPV và ứng suất phân bố.

Sự ảnh hưởng của sóng nổ lên đường hầm cũ lân cận đã được xem xét để đánh giá độ ổn 6 định của đường hầm. Thông thường, bài toán truyền sóng nổ trong môi trường khối đất đá rất phức tạp. Vì vậy, hầu hết các phương pháp giải tích mới chỉ dừng lại ở việc giải các bài toán đơn giản như biên đường hầm có dạng hình tròn, môi trường khối đá là đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Khả năng ứng dụng của phương pháp này bị hạn chế khi đường hầm có tiết diện ngang không phải hình tròn, môi trường khối đất đá phân lớp, nứt nẻ,… 1.

Các phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý tương đương Một số tác giả (Khosrow B., 1998 [84]), đã sử dụng mô hình vật lý tương đương để nghiên cứu chấn động nổ mìn lên một đường hầm cũ.