Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài và khoảng trống nghiên cứu

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạng lưới cơ sở hạ tầng giao thông ngầm tại Việt Nam dẫn đến sự xuất hiện của nhiều dự án xây dựng các tuyến hầm mới hoặc mở rộng các tuyến hầm hiện hữu nằm rất gần các công trình ngầm đã xây dựng từ trước. Điển hình như tại dự án hầm đường bộ qua Đèo Cả (hầm Cổ Mã nằm gần hầm đường sắt số 24 với khoảng cách gần nhất là 47,0 m) và dự án mở rộng hầm lánh nạn đèo Hải Vân (khoảng cách giữa tim hầm chính và hầm lánh nạn chỉ khoảng 30,0 m). Khi thi công đào mở rộng hầm trong nền đá cứng bằng phương pháp khoan nổ mìn, sóng chấn động sinh ra từ các vụ nổ tác động trực tiếp và có nguy cơ gây mất ổn định hoặc nứt vỡ kết cấu vỏ chống bê tông của công trình ngầm lân cận.

Mặc dù vấn đề an toàn chấn động nổ mìn đã được nghiên cứu đối với các công trình trên mặt đất hoặc các công trình quân sự chịu tác động nổ đơn lẻ, việc nghiên cứu chuyên sâu về tác động của chấn động nổ mìn theo chu kỳ vi sai khi đào hầm giao thông dân dụng đến kết cấu vỏ hầm lân cận tại Việt Nam còn hạn chế. Do đó, luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận" của nghiên cứu sinh Đặng Văn Kiên (chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm, mã số 9580204, bảo vệ năm 2018 tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn của GS. Võ Trọng Hùng) được thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn này.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Xây dựng các mô hình số 2D và 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 và 3D.
  3. Đánh giá 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

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ được xây dựng 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 khối đá), chịu tác động của sóng chấn động sinh ra do nổ mìn thi công đường hầm mới song song hoặc lân cận.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về môi trường: Môi trường khối đá được giả thiết là đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng; chưa xét đến sự ảnh hưởng của hệ thống khe nứt và mặt phân cách bất liên tục trong khối đá đến sự lan truyền sóng.
    • Về điều kiện liên kết: Mối liên kết giữa vỏ chống bê tông liền khối của đường hầm cũ với khối đá là liên kết cứng liên tục, thỏa mãn điều kiện lớp lát hàn (vỏ hầm bám chặt vào đất đá và cùng dao động với đất đá); kết cấu vỏ chỉ tính toán chịu tác dụng của tải trọng sóng nổ, không tính toán cho áp lực đất đá tĩnh.
    • Về dữ liệu thực nghiệm: Sử dụng chuỗi số liệu quan trắc chấn động tại dự án hầm Croix-Rousse (thành phố Lyon, Cộng hòa Pháp) và thí nghiệm cơ học động lực học tại phòng thí nghiệm thuộc INSA Lyon.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

Luận án đã tổng quan và phân loại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo 4 hướng tiếp cận chính:

                                    CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
  PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH       MÔ HÌNH VẬT LÝ TƯƠNG ĐƯƠNG        ĐO THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG             MÔ HÌNH SỐ
  - Pao Y. (lý thuyết tia)    - Khosrow B. (1998)               - Ansell (2004)                 - Shin et al. (2011)
  - Wersall C. (2008)         - Hendron (1997)                  - Ahmed A. (2008)               - Liang Q. (2012), Xia
  - Li và n.k (2008)          - Lê Đình Tân (1998)              - Hầm Croix-Rousse (Pháp)       - Phần mềm: Abaqus,
  - Hoàng Thị Hồng (1996)     - Nguyễn Hữu Thế (2016)           - Hầm Truông Khấp, Sơn Ca       LS-DYNA, Plaxis, Autodyn

  1. Phương pháp giải tích:

    • Trên thế giới, Pao Y. sử dụng lý thuyết tia và phương pháp tích phân; Wersall C. (2008) sử dụng toán tử Laplace và Fourier để tìm nghiệm giải tích cho đường hầm tròn chịu áp lực nổ; Li và các cộng sự (2008) tính toán ứng xử của vỏ hầm qua vận tốc dao động phần tử đỉnh (PPV) và ứng suất phân bố.
    • Tại Việt Nam, Hoàng Thị Hồng (1996) nghiên cứu trường ứng suất, biến dạng quanh buồng nổ cầu và trụ dựa trên mô hình Kelvin và Poynting-Thomson; Nguyễn Xuân Mãn (1997) tính toán bán kính phá hủy khi nổ lượng thuốc đơn lẻ trong môi trường đàn hồi. Các phương pháp giải tích chủ yếu áp dụng cho mặt cắt hầm hình tròn đơn giản và môi trường vô hạn, khó ứng dụng cho tiết diện hầm phức tạp dạng vòm móng ngựa hay tường thẳng vòm cong.

  2. Phương pháp mô hình vật lý tương đương:

    • Khosrow B. (1998) nghiên cứu mô hình đường hầm nhỏ vỏ thép (kích thước $150 \times 100 \times 500\text{ mm}$, dày 3,0 mm) chịu sóng nổ; Hendron (1997) dùng mô hình 1-G khảo sát ảnh hưởng của khe nứt.
    • Tại Việt Nam, Lê Đình Tân (1998) thí nghiệm mô hình hầm vòm thép trong hộp cát san hô kích thước $100 \times 100 \times 100\text{ cm}$ chịu va đập vật rơi 5 kg. Nhược điểm của hướng tiếp cận này là chi phí chế tạo cao, hiệu ứng tỷ lệ hình học và khó mô phỏng đầy đủ trường ứng suất thực tế.

  3. Phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường:

    • Các tác giả Ansell (2004), Ahmed A. (2008), Wu Ch. (2005) tiến hành đo chấn động nổ mìn tại hiện trường để xây dựng quan hệ giữa PPV, khoảng cách và khối lượng thuốc nổ.
    • Tại Việt Nam, số liệu đo thực tế còn ít, chủ yếu tập trung vào các thử nghiệm nổ cục bộ như nghiên cứu của Lê Đình Tân tại hầm Truông Khấp (Nghệ An) hoặc Nguyễn Hữu Thế tại đảo Sơn Ca.

  4. Phương pháp mô hình số:

    • Các nghiên cứu quốc tế của Jong-Ho Shin và n.k (2011), Liang Q. (2012), Xia và n.k, Lu Y. et al. (2005) sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), sai phân hữu hạn (FDM) hoặc rời rạc (DEM) trên các phần mềm như LS-DYNA, Autodyn để mô phỏng sự tương tác giữa sóng nổ và kết cấu ngầm.
    • Tại Việt Nam, Nguyễn Hải Hưng sử dụng SAP2000 tính toán bài toán động kết cấu công sự chịu sóng nổ bom đạn; Nguyễn Hữu Thế dùng Plaxis và MineBlast mô phỏng công trình ngầm trong đá san hô.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án giải quyết

Qua tổng quan tài liệu, tác giả chỉ ra các hạn chế của những nghiên cứu trước:

  • Hầu hết các mô hình số trước đây chỉ khảo sát bài toán phẳng 2D tại mặt cắt ngang đi qua gương nổ, chưa phản ánh được không gian 3D của quá trình truyền sóng dọc trục hầm (đặc biệt là vùng vỏ hầm nằm phía trước và phía sau mặt phẳng gương hầm mới).
  • Thường sử dụng các thông số cơ học tĩnh của đất đá và bê tông để đưa vào bài toán động học, chưa xác định các thông số động thực tế dưới tải trọng va đập tốc độ cao.
  • Chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng của hệ số giảm chấn môi trường, điều kiện biên không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition - NRBC) và sự tương quan giữa chỉ số chất lượng khối đá RMR với các tham số lan truyền sóng chấn động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết về truyền sóng nổ trong môi trường đất đá

Khi nổ mìn trong lỗ khoan, khối thuốc nổ chuyển hóa thành thể tích khí nén ở nhiệt độ và áp suất rất cao. Năng lượng nổ hình thành các vùng biến dạng xung quanh buồng nổ theo 4 đới rõ rệt:

  • Vùng nén ép (vùng nghiền vụn): Phạm vi từ $3 \div 7$ lần bán kính buồng nổ ($r_0$), đất đá bị phá hủy dẻo hoàn toàn dưới áp lực cực đại của sóng xung kích.
  • Vùng vỡ vụn (nứt nẻ hướng tâm): Phạm vi từ $5 \div 7$ đến $120 \div 150,r_0$, sóng xung kích chuyển thành sóng nén, hình thành hệ thống nứt nẻ tiếp tuyến và xuyên tâm.
  • Vùng long rời: Đất đá bị nứt rạn nhưng không bị văng vỡ.
  • Vùng chấn động (biến dạng đàn hồi): Đất đá không bị phá hủy cấu trúc mà chỉ dao động đàn hồi, sóng nổ phân rã thành các sóng đàn hồi địa chấn truyền xa.

Các dạng sóng lan truyền trong môi trường bao gồm:

  • Sóng khối: Sóng dọc (sóng nén P) với các hạt dao động trùng phương truyền sóng, và sóng ngang (sóng cắt S) với các hạt dao động vuông góc phương truyền sóng.
  • Sóng bề mặt: Sóng Rayleigh và sóng Love (chủ yếu tác động lên các công trình trên mặt đất).

Phương trình vi phân tổng quát biểu diễn chuyển động của môi trường đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng (phương trình Lamé - Navier) được thiết lập: $$\rho \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = (\lambda + G) \nabla (\nabla \cdot \mathbf{u}) + G \nabla^2 \mathbf{u}$$ Trong đó $\rho$ là khối lượng thể tích của đá; $\lambda, G$ là các hằng số Lamé; $\mathbf{u}$ là véctơ chuyển vị của phần tử.

Vận tốc truyền sóng dọc trong thanh đàn hồi: $$c_p = \sqrt{\frac{E}{\rho}}$$

Về đặc tính tương tác giữa sóng nổ và vỏ hầm, luận án phân loại theo 2 mô hình làm việc:

  • Trường hợp lớp lát hàn (được áp dụng trong luận án): Khối đá cứng hơn kết cấu ($E_0 > E$), tiếp xúc giữa khối đá và vỏ bê tông đổ tại chỗ là dính kết tuyệt đối, vỏ hầm dao động đồng thời cùng đất đá và chỉ chịu biến dạng động do sóng nổ.
  • Trường hợp lớp lát lồng: Áp dụng khi đất đá yếu hơn kết cấu ($E_0 < E$) hoặc có lớp phân cách, xuất hiện sự trượt tương đối tại bề mặt tiếp xúc.
Đại lượng / Ký hiệu Thuật ngữ chuyên môn Đơn vị đo Ý nghĩa trong luận án
PPV Peak Particle Velocity $\text{mm/s}$ hoặc $\text{m/s}$ Vận tốc dao động phần tử đỉnh, đại lượng chính đánh giá chấn động
PPA Peak Particle Acceleration $\text{m/s}^2$ Gia tốc phần tử cực đại sinh ra do sóng nổ
RMR Rock Mass Rating Điểm ($0 \div 100$) Chỉ số đánh giá chất lượng phân cấp khối đá theo Bieniawski
BDI Blast Damage Index Hệ số không thứ nguyên Chỉ số phá hủy nổ mìn dùng để đánh giá mức độ nứt vỡ kết cấu
SHPB Split Hopkinson Pressure Bar Thiết bị thí nghiệm Hệ thí nghiệm thanh áp lực Hopkinson xác định thông số động lực học
NRBC Non-Reflecting Boundary Condition Điều kiện biên Biên không phản xạ ngăn sóng dội ngược vào vùng tính toán
IE Infinite Element Loại phần tử hữu hạn Phần tử vô hạn đặt tại biên ngoài của mô hình số Abaqus

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Thu thập và xử lý thống kê chuỗi dữ liệu đo sóng dao động (với cảm biến Geophone 3 thành phần) tại hầm Croix-Rousse (Lyon, Pháp) nhằm thiết lập tương quan giữa PPV, lượng nạp thuốc vi sai cực đại ($Q$) và khoảng cách ($D$).
  2. Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm (SHPB): Sử dụng hệ thiết bị thanh nén tách rời Split Hopkinson Pressure Bar tại INSA Lyon để tác động tải trọng xung áp lực cao (áp lực thanh đánh $0,30\text{ MPa}$ và $0,35\text{ MPa}$) lên các mẫu đá granit hình trụ đường kính 45,0 mm, chiều cao 100,0 mm nhằm xác định đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng động, mô đun đàn hồi động ($E_d$) và tốc độ biến dạng.
  3. Phương pháp mô hình số phần tử hữu hạn (FEM): Xây dựng các mô hình số 2D và 3D trên môi trường phần mềm Abaqus/CAE. Mô hình sử dụng các phần tử vô hạn (Infinite Elements - CIN3D8/CINPE4) làm biên không phản xạ NRBC bao quanh vùng phần tử hữu hạn tiêu chuẩn (C3D8R/CPE4R), áp đặt hàm tải trọng nổ theo thời gian tại gương đào để khảo sát đáp ứng động lực học của vỏ hầm.

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

  • Nội dung chính: Tổng quan tính cấp thiết của các dự án hầm song song tại Việt Nam (hầm Cổ Mã, hầm Hải Vân) và các sự cố phá hủy do chấn động nổ mìn trên thế giới (vụ nổ hầm Port Huron tại Mỹ năm 1971 làm chết 21 người; sự cố nổ mìn gây sạt lở 123 m hầm Jiuguaidao tại Trung Quốc năm 1980 với $3000\text{ m}^3$ đá sạt).
  • Phân tích bối cảnh kỹ thuật: Khảo sát chi tiết dự án đường hầm Croix-Rousse (Lyon, Pháp) với tuyến hầm mới dài 1757,5 m, diện tích mặt cắt ngang $84,10\text{ m}^2$, bán kính vòm $5,55\text{ m}$, thi công bằng khoan nổ mìn trong nền đá granit cứng (cường độ nén $> 120\text{ MPa}$) nằm song song cách hầm cũ (bán kính vòm $8,05\text{ m}$, chiều cao tường $1,0\text{ m}$) với khoảng cách giữa hai trục hầm là $42,6\text{ m}$.
  • Đánh giá tổng quan: Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp giải tích, mô hình vật lý tương đương, đo thực nghiệm và mô hình số; xác định các vấn đề còn thiếu sót trong tính toán động lực học công trình ngầm ở Việt Nam để định hình 5 nội dung nghiên cứu trọng tâm 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

  • Nội dung chính: Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các loại sóng địa chấn kích phát do nổ mìn (sóng P, sóng S, sóng Rayleigh, sóng Love) và cơ chế hình thành các vùng biến dạng xung quanh gương hầm.
  • Xây dựng phương trình giải tích: Trình bày hệ phương trình vi phân truyền sóng nén đàn hồi dọc và sóng cầu trong môi trường đàn hồi - dẻo tuyến tính hóa; phân tích đặc tính xung áp lực nổ của thuốc nổ TNT và nhũ tương tác dụng lên thành lỗ khoan theo hàm thời gian.
  • Lý thuyết tương tác kết cấu: Phân tích điều kiện làm việc của vỏ chống hầm chịu tác dụng của sóng động theo lý thuyết lớp lát hàn ($E_0 > E$, không trượt) và lớp lát lồng ($E_0 < E$); thiết lập công thức xác định hệ số tập trung ứng suất động ($k_k$) trên chu vi khoang ngầm dưới tác động của các thành phần sóng nổ theo các phương $K_p, K_q, K_{pq}$.
                 MÔ HÌNH HÀM TẢI TRỌNG NỔ THEO THỜI GIAN
   Áp lực P(t)

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

  • Nội dung chính: Phân tích dữ liệu quan trắc thực nghiệm gồm 54 đợt nổ mìn tại dự án đường hầm Croix-Rousse. Các cảm biến đo chấn động Geophone được bố trí trong vỏ bê tông của hầm cũ tại các vị trí lý trình khác nhau (như PM100, PM220 $\div$ PM340, PM1400) để ghi nhận vận tốc dao động hạt theo 3 phương: thẳng đứng ($V$), nằm ngang ($H$) và dọc trục hầm ($L$).
  • Tổng hợp các tiêu chuẩn an toàn chấn động: Đối chiếu các ngưỡng vận tốc dao động cho phép $[\text{PPV}]$ theo các tiêu chuẩn quốc tế:
Tiêu chuẩn / Quốc gia Đối tượng công trình bảo vệ Dải tần số ($f$, $\text{Hz}$) $[\text{PPV}]$ cho phép ($\text{mm/s}$)
DIN 4150-3 (CHLB Đức) Công trình công nghiệp / Kết cấu ngầm $1 \div 10$ / $10 \div 50$ / $50 \div 100$ $20 \div 40$ / $40 \div 50$
AS 2187 (Úc) Kết cấu bê tông cốt thép, công trình ngầm Dải tần số công trình $25 \div 50$
Tiêu chuẩn Pháp Vỏ chống bê tông đường hầm cũ Dải tần thấp ($< 30\text{ Hz}$) $30 \div 60$
SN 640 312 (Thụy Sĩ) Kết cấu ngầm, đường hầm lân cận $10 \div 60$ / $60 \div 150$ $30 \div 60$
GB 6722-2003 (Trung Quốc) Hầm giao thông, công trình ngầm thủy điện Tần số nổ mìn chuẩn $100 \div 150$
  • Kết quả xử lý thực nghiệm và tương quan RMR:
    • Thiết lập phương trình suy giảm chấn động kinh nghiệm theo công thức tổng quát của Chapot: $$\text{PPV} = K \left( \frac{D}{\sqrt{Q}} \right)^{-\alpha}$$ Trong đó $D$ là khoảng cách từ tâm nổ đến điểm quan sát (m); $Q$ là lượng thuốc nổ nạp lớn nhất cho một đợt nổ vi sai (kg); $K$ và $\alpha$ là các hệ số thực nghiệm truyền sóng của khối đá.
    • Phân tích mối quan hệ giữa chỉ số chất lượng khối đá RMR với các tham số lan truyền sóng $\ln(K)$ và $\alpha$ khi gương hầm mới ở các vị trí tương đối so với mặt cắt đặt cảm biến ($H > 0$: gương hầm chưa tới; $H < 0$: gương hầm đã vượt qua; $0 < H < 45\text{ m}$).
    • Kết quả chỉ ra rằng khi chất lượng đá càng tốt (RMR cao), năng lượng sóng ít bị tiêu hao qua các khe nứt, dẫn đến biên độ sóng truyền đến vỏ hầm càng lớn, đòi hỏi phải khống chế nghiêm ngặt lượng thuốc nổ nạp cực đại $Q$.
           TƯƠNG QUAN GIỮA PPV VÀ TỶ LỆ KHOẢNG CÁCH (D / √Q)
   ln(PPV)

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

  • Nội dung chính: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc tính cơ học động lực học của mẫu đá granit lấy từ hiện trường tuyến hầm bằng phương pháp thanh nén áp lực tách rời Hopkinson (SHPB) tại phòng thí nghiệm INSA Lyon.
  • Quy trình và thiết bị thí nghiệm: Hệ thống SHPB gồm thanh phóng, thanh đánh, thanh tới và thanh truyền làm bằng thép hợp kim có gắn các đầu đo biến dạng điện trở kết nối qua cầu Wheatstone. Mẫu đá hình trụ có đường kính $45,0\text{ mm}$, chiều cao $100,0\text{ mm}$.
  • Kết quả thực nghiệm động học:
    • Tiến hành thử nghiệm với các mức áp lực tác dụng lên thanh đánh là $0,30\text{ MPa}$ và $0,35\text{ MPa}$.
    • Ghi nhận tín hiệu sóng biến dạng tới ($\varepsilon_i$), sóng phản xạ ($\varepsilon_r$) và sóng truyền qua ($\varepsilon_t$).
    • Xác định tốc độ biến dạng mẫu đá đạt dải giá trị từ $10^1 \div 10^2\text{ s}^{-1}$. Kết quả trên mẫu điển hình N°38 cho thấy cường độ chịu nén động và mô đun đàn hồi động ($E_d$) của đá granit tăng đáng kể so với giá trị thí nghiệm tĩnh tương ứng.
  • Mô phỏng số kiểm chứng thí nghiệm SHPB: Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm Abaqus mô phỏng toàn bộ hệ thanh nén và mẫu đá; phân tích kích thước lưới phần tử (với số lượng phần tử biến thiên) để chứng minh tính chính xác của mô hình phần tử hữu hạn trước khi áp dụng vào mô hình bài toán hầm quy mô lớn.

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

  • Nội dung chính: Xây dựng mô hình không gian 2D và 3D trên Abaqus mô phỏng chi tiết tương tác sóng nổ giữa hầm mới đào và vỏ hầm cũ lân cận.
  • Thiết lập mô hình và kiểm tra kích thước lưới:
    • Sử dụng biên không phản xạ NRBC thông qua việc gán lớp phần tử vô hạn (Infinite Elements IE) tại các mặt biên ngoài của khối đất đá để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng sóng phản xạ nhân tạo dội ngược vào vùng tính toán.
    • Khảo sát kích thước lưới phần tử thích hợp nhằm đảm bảo truyền tải chính xác tần số sóng chấn động mà không làm suy giảm biên độ dao động.
    • Khảo sát các thông số đầu vào của mô hình: Phân tích độ nhạy của hệ số giảm chấn môi trường ($\xi$) từ $1,0% \div 10,0%$, xác định giá trị hệ số giảm chấn phù hợp nhất với dữ liệu đo thực tế là $\xi = 5,0%$; đánh giá ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động ($E_d$) và các mô hình phá hủy vật liệu khác nhau đến giá trị PPV.
       MÔ HÌNH SỐ 3D TƯƠNG TÁC GIỮA ĐƯỜNG HẦM MỚI VÀ ĐƯỜNG HẦM CŨ
  • Khảo sát không gian 3D dọc trục hầm:
    • Khảo sát sự thay đổi giá trị PPV trong vỏ chống bê tông của hầm cũ theo khoảng cách tương đối dọc trục hầm ($D_L$) từ mặt phẳng gương nổ hầm mới tới vị trí quan sát.
    • Kết quả khẳng định giá trị PPV đạt cực đại tại vị trí mặt cắt ngang trùng với mặt phẳng gương hầm mới ($D_L = 0$) và suy giảm dần khi khoảng cách về phía trước ($D_L > 0$) hoặc phía sau ($D_L < 0$) tăng lên.
  • Đánh giá độ ổn định bằng chỉ số phá hủy nổ mìn (BDI):
    • Sử dụng chỉ số $D_{ib}$ (Blast Damage Index) để khoanh vùng và định lượng mức độ phá hủy trong khối đá vây quanh và vỏ bê tông hầm cũ.
    • Xác lập công thức hồi quy kinh nghiệm dự báo PPV cho từng vị trí trọng yếu (tường hầm, vòm hầm phía đối diện gương nổ) trong vỏ bê tông hầm cũ phục vụ thiết kế hộ chiếu nổ mìn an toàn.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xác lập thông số động học bằng SHPB kết hợp mô phỏng số: Đã thực hiện thành công thí nghiệm nén động SHPB trên mẫu đá granit hiện trường kết hợp mô hình số 3D kiểm chứng, làm sáng tỏ quy luật ứng xử ứng suất - biến dạng - tốc độ biến dạng dưới tác động của tải trọng xung ngắn hạn tương đương áp lực nổ mìn thực tế.
  2. Làm rõ mối tương quan giữa chỉ số RMR và sự lan truyền chấn động: Luận án đã chỉ ra mối quan hệ định lượng giữa chỉ số chất lượng khối đá RMR và các thông số suy giảm truyền sóng ($K, \alpha$) trong công thức Chapot; chứng minh trong khối đá có chất lượng cơ học càng cao (ít nứt nẻ) thì năng lượng sóng truyền đi càng ít suy giảm, biên độ PPV tác động lên vỏ hầm lân cận càng lớn.
  3. Hoàn thiện phương pháp mô hình hóa 3D chấn động nổ mìn: Đã xây dựng quy trình mô phỏng số 3D hoàn chỉnh trên Abaqus sử dụng biên vô hạn NRBC; xác định giá trị hệ số giảm chấn tối ưu $\xi = 5,0%$ cho môi trường đá granit; làm rõ quy luật phân bố không gian của trường chấn động dọc trục hầm cũ phía trước và phía sau gương hầm mới.
  4. Ứng dụng chỉ số BDI đánh giá an toàn vỏ hầm: Đã tích hợp chỉ số phá hủy nổ mìn BDI vào mô hình số để đánh giá trạng thái giới hạn, xác định các vùng tập trung ứng suất kéo nguy hiểm và mức độ nứt vỡ của vỏ bê tông hầm cũ lân cận.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Công thức dự báo PPV và lượng thuốc nổ cho phép: Đề xuất hệ thống công thức thực nghiệm giúp các kỹ sư thiết kế xác định chuẩn xác vận tốc dao động cực đại và khống chế lượng thuốc nổ vi sai tối đa ($Q_{\text{max}}$) cho một chu kỳ nổ, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình ngầm kế cận.
  2. Quy trình kiểm soát an toàn nổ mìn: Đề xuất quy trình phối hợp giữa quan trắc chấn động hiện trường bằng cảm biến Geophone và phân tích mô phỏng số 3D để hiệu chỉnh thông số hộ chiếu nổ mìn linh hoạt theo từng bước đào thực tế tại các dự án hầm song song ở Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Môi trường khối đá xung quanh trong mô hình số được giả thiết là đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng; chưa xét đến ảnh hưởng của tính chất phân lớp, các hệ thống khe nứt kiến tạo ngẫu nhiên và thế nằm của mặt trượt bất liên tục đến sự tán xạ và suy giảm sóng.
  • Điều kiện tiếp xúc giữa vỏ hầm cũ và khối đá được giả định là liên kết dính bám cứng tuyệt đối (lớp lát hàn), chưa xét đến khả năng xuất hiện sự trượt cục bộ, tách rời hoặc có lớp đệm chống thấm trung gian (lớp lát lồng).
  • Dữ liệu thực nghiệm nén xung SHPB và quan trắc hiện trường chủ yếu tập trung vào loại đá granit cứng và kết cấu vỏ bê tông liền khối đổ tại chỗ, chưa mở rộng cho các loại đất đá mềm yếu hoặc vỏ chống dạng lắp ghép phân đoạn (vỏ hầm TBM).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu phát triển mô hình số phi tuyến tính xem xét môi trường khối đá dị hướng, nứt nẻ và phân lớp phức tạp bằng phương pháp kết hợp phần tử hữu hạn - phần tử rời rạc (FEM-DEM).
  • Khảo sát ứng xử động lực học của các dạng kết cấu vỏ chống khác nhau (bê tông phun tăng cường sợi, vì chống neo chèn ép kết hợp vỏ lắp ghép) trong các điều kiện liên kết trượt tương đối với nền đá.
  • Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của ứng suất tĩnh ban đầu ở độ sâu lớn kết hợp với ứng suất động do nổ mìn nhiều đợt vi sai.

Giá trị tham khảo

Đối tượng sử dụng tài liệu

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm, Công trình Mỏ, Địa kỹ thuật công trình, Kỹ thuật Nổ mìn và Cơ học đá.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công: Các đơn vị thực hiện thiết kế hộ chiếu khoan nổ mìn, lập biện pháp thi công mở rộng hầm hoặc đào mới các tuyến hầm giao thông, hầm thủy điện nằm kề cận các công trình hiện hữu.
  • Cơ quan quản lý và giám sát an toàn: Các đơn vị thẩm định biện pháp an toàn nổ mìn và bảo vệ công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị.

Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu

  • Chương 3 và Phụ lục: Phương pháp luận xử lý số liệu đo đạc thực tế 3 thành phần của cảm biến Geophone và quy trình xác lập tương quan giữa chỉ số RMR với các hệ số truyền sóng.
  • Chương 4: Kỹ thuật thí nghiệm động lực học SHPB trên mẫu đá tự nhiên và phương pháp mô phỏng kiểm chứng bài toán va đập tốc độ cao trên phần mềm Abaqus.
  • Chương 5: Phương pháp thiết lập điều kiện biên không phản xạ NRBC bằng phần tử vô hạn (Infinite Elements) và quy trình áp đặt áp lực nổ vi sai theo thời gian trong mô hình 3D.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chất lượng khối đá tốt hơn (RMR cao) lại dẫn đến nguy cơ chấn động nổ mìn đối với vỏ hầm lân cận lớn hơn?

Theo kết quả phân tích thực nghiệm và lý thuyết truyền sóng trong luận án (Chương 3), khối đá rắn cứng, nguyên khối và có chỉ số RMR cao thì mức độ nứt nẻ, rỗng xốp rất thấp. Do đó, năng lượng sóng nén và sóng cắt sinh ra từ vụ nổ ít bị suy giảm hoặc tán xạ qua các mặt khe nứt, khiến sóng ứng suất truyền đi xa hơn với biên độ dao động lớn hơn, làm giá trị PPV tác động lên vỏ hầm lân cận cao hơn so với trong khối đá mềm yếu nhiều khe nứt.

2. Thiết bị thí nghiệm SHPB trong luận án được sử dụng để xác định những thông số nào?

Hệ thiết bị thanh nén tách rời Hopkinson (Split Hopkinson Pressure Bar - SHPB) tại phòng thí nghiệm INSA Lyon được sử dụng để xác định các đặc tính cơ học động lực học của mẫu đá granit dưới tốc độ biến dạng cao ($10^1 \div 10^2\text{ s}^{-1}$), bao gồm: đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng động, cường độ nén động lực học và mô đun đàn hồi động ($E_d$). Các thông số này là dữ liệu đầu vào chính xác cho bài toán mô phỏng số động lực học thay vì sử dụng thông số tĩnh.

3. Giải pháp kỹ thuật nào được áp dụng trong mô hình số Abaqus để ngăn sóng phản xạ tại biên?

Luận án sử dụng điều kiện biên không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition - NRBC) bằng cách tích hợp lớp phần tử vô hạn (Infinite Elements - IE, mã hiệu CIN3D8 trong Abaqus 3D) tại các mặt biên ngoài của mô hình. Lớp phần tử vô hạn này có chức năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng sóng truyền tới, ngăn chặn hiện tượng sóng dội ngược lại vào vùng tính toán, đảm bảo kết quả ứng suất và PPV phản ánh đúng thực tế môi trường đất đá vô hạn.

4. Hệ số giảm chấn của khối đá được xác định bằng bao nhiêu trong mô hình số của luận án?

Thông qua việc khảo sát độ nhạy của hệ số giảm chấn môi trường ($\xi$) biến thiên từ $1,0%$ đến $10,0%$ và đối chiếu trực tiếp với kết quả đo đạc thực tế tại dự án hầm Croix-Rousse, tác giả luận án đã xác định giá trị hệ số giảm chấn tối ưu của khối đá granit là $\xi = 5,0%$.

5. Sự phân bố của giá trị PPV trên vỏ hầm cũ dọc theo trục hầm có quy luật như thế nào?

Kết quả khảo sát mô hình số 3D (Chương 5) chỉ ra rằng giá trị PPV trong vỏ bê tông của hầm cũ đạt giá trị lớn nhất tại vị trí mặt cắt ngang nằm đối diện trực tiếp với gương nổ của hầm mới ($D_L = 0$). Khi xét các vị trí vỏ hầm nằm dịch chuyển về phía trước ($D_L > 0$) hoặc phía sau ($D_L < 0$) mặt phẳng gương nổ, giá trị PPV suy giảm nhanh chóng theo hàm phi tuyến.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận" của tác giả Đặng Văn Kiên là công trình nghiên cứu chuyên sâu, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học truyền sóng, đo đạc thực nghiệm hiện trường, thí nghiệm cơ học động SHPB và mô phỏng số 3D trên phần mềm Abaqus. Luận án đã làm rõ cơ chế tương tác sóng nổ - khối đá - vỏ hầm, xác lập mối quan hệ định lượng giữa chỉ số chất lượng khối đá RMR với các thông số truyền chấn động, đồng thời đề xuất công thức dự báo PPV và kiểm soát khối lượng thuốc nổ an toàn. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học và thực tiễn có giá trị cao, đóng góp thiết thực cho công tác thiết kế và thi công các công trình hầm song song, hầm mở rộng tại Việt Nam.