Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐẶNG VĂN KIÊN ĐẶNG VĂN KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN KHI THI CƠNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI– 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐẶNG VĂN KIÊN ĐẶNG VĂN KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN KHI THI CƠNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN Ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình ngầm Mã số: 9580204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS.NGND.Võ Trọng HùngS Võ Trọng Hùng Hà Nội - 2018 i MỤC LỤC Nội dung Trang Mục lục i Lời cam đoan iv Lời cảm ơn v Danh mục chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình vẽ ix Mở đầu xv Chương Tổng quan ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm đến kết cấu chống đường hầm lân cận 1.1 Tổng quan định hướng nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đào hầm đến cơng trình ngầm lân cận 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn đào hầm đến cơng trình ngầm lân cận giới 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn đào hầm đến cơng trình ngầm lân cận Việt Nam 1.4 Đánh giá chung tình hình nghiên cứu nước ngồi nước hướng nghiên cứu luận án 1 14 1.5 Những vấn đề tập trung nghiên cứu luận án 16 1.6 Kết luận Chương 18 Chương Lý thuyết truyền sóng mơi trường đất đá phương pháp xác định ảnh hưởng sóng nổ lên kết cấu đường 19 hầm lân cận 2.1 Tổng quan loại sóng chấn động gây nổ mìn đào đường hầm đặc tính chúng 2.2 Phương trình truyền sóng nổ môi trường đất đá đàn hồi, đồng đẳng hướng 19 24 ii 2.3 Đặc tính tải trọng sinh sóng nổ đặc điểm làm việc kết cấu đường hầm tác dụng sóng nổ 28 2.4 Các phương pháp mô áp lực nổ nổ mìn gương hầm 31 2.5 Các thơng số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn 39 2.6 Kết luận Chương 40 Chương Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm 42 lân cận thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm trường 3.1 Tổng quan ảnh hưởng chấn động nổ mìn tới môi trường 42 3.2 Nghiên cứu đo PPV, biến dạng thi công đường hầm Croix-Rousse 44 3.3 Các phương pháp đánh giá chấn động nổ mìn đến cơng trình lân cận 49 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận nổ mìn gương hầm phương pháp đo đạc thực tế 3.5 Khảo sát mối quan hệ RMR khối đá thông số K α công thức Chapot 56 68 3.6 Kết luận Chương 79 Chương Nghiên cứu thông số động khối đá vỏ chống 81 4.1 Tổng quan thông số động khối đá vỏ chống 81 4.2 Phương pháp xác định thông số động khối đá kết cấu chống 83 4.3 Xác định thông số động khối đá thí nghiệm động SHPB 84 4.4 Kết thí nghiệm 90 4.5 Tính tốn đặc tính động học 94 4.6 Thí nghiệm SHBP mẫu đá granit 95 4.7 Phát triển mơ hình số ba chiều 3D mơ thí nghiệm SHPB 104 4.8 Kết luận Chương 109 Chương Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đào hầm đến kết cấu chống đường hầm lân cận phương pháp số 5.1 Tổng quan 110 110 iii 5.2 Xây dựng mơ hình số hai chiều 2D, mơ hình ba chiều 3D khảo sát ảnh hưởng chấn động nổ mìn 111 5.3 Kiểm tra kích thước lưới kiểm chứng mơ hình số 116 5.4 Nhận xét 122 5.5 Khảo sát thơng số mơ hình 123 5.6 Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách từ gương đường hầm đến vị trí quan sát vỏ chống cố định đường hầm cũ lân cận dọc 136 theo trục đường hầm 5.7 Đánh giá độ ổn định vỏ chống bê tông đường hầm cũ lân cận 139 5.8 Đánh giá độ ổn định khối đá xung quanh đường hầm 141 5.9 Xây dựng công thức kinh nghiệm dự báo giá trị PPV vỏ chống bê tông cố định đường hầm cũ lân cận 142 5.10 Kết luận Chương 143 Kết luận kiến nghị luận án 144 Danh mục công trình khoa học tác giả 148 Tài liệu tham khảo 152 Phụ lục 163 iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2018 Tác giả luận án Đặng Văn Kiên v LỜI CẢM ƠN Chúng xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên Bộ môn Xây dựng Cơng trình ngầm Mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ-Địa chất; tập thể Ban Lãnh đạo Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ-Địa chất; tập thể Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, giảng viên, cán phòng, ban chức Trường Đại học Đại học Mỏ-Địa chất tạo điều kiện giúp đỡ tận tình trình thực luận án với luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận” Chúng tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành giúp đỡ Chúng tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.NGND Võ Trọng Hùng - Người Thày dành nhiều tâm huyết trực tiếp hướng dẫn bảo cho Tôi hồn thành luận án Chúng tơi xin cảm ơn TS Đỗ Ngọc Anh hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thiện phần nội dung nghiên cứu mơ hình số Chúng xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp động viên thời gian thực luận án Xin cảm ơn Nguyễn Thị Phương, Đặng Gia Bảo, Đặng Gia Hân bên động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận án vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BDI - Chỉ số phá hủy nổ mìn (Blast Damage Index) BEM - Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method) CAE - Môi trường đầy đủ Abaqus (Complete Abaqus Evironment) DAM - Chuyển vị phần tử (Displacement or the amount of movement) DEM - Phương pháp phần tử riêng rẽ (rời rạc) (Distinct Element Method), DDA - Phương pháp phân tích biến dạng khơng liên tục (Discontinuos Deformation Analysis) FCPV - Tần số dao động ứng với vận tốc dao động phần tử (Frequency content of particle velocity) FDM - Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method) FE - Phần tử loại hữu hạn (Finite Element) FEM - Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) FEM-DEM - Phương pháp hỗn hợp phương pháp phần tử hữu hạn phần tử rời rạc (Finite-Discrete Element Method) IE - Phần tử loại vô hạn (Infinite Element) n.n.k - Những người khác NRBC - Điều kiện biên không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition) PFC - Phương pháp dòng hạt (Particle Flow Code) PPV - Vận tốc dao động phần tử đỉnh (Peak Particle Velocity) PPA - Gia tốc phần tử lớn (Peak Particle Acceleration) SF - Tần số dao động riêng kết cấu (Specific Frequency) SHPB - Thí nghiệm động (Split Hopkinson Pressure Bar test) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Nội dung Trang Bảng 2.1 Các thơng số phương trình trạng thái thuốc nổ TNT 38 Bảng 3.1 Trình tự nổ số lượng lỗ mìn gương 46 Bảng 3.2 Giá trị giới hạn PPV với tỉ lệ khoảng cách tiêu chuẩn 50 Bảng 3.3 Tiêu chuẩn PPV theo AS 2187 (Tiêu chuẩn Úc) 51 Bảng 3.4 Tiêu chuẩn DIN 4150-3 (CHLB Đức) 52 Bảng 3.5 Tiêu chuẩn Pháp 52 Bảng 3.6 Tiêu chuẩn Thụy sĩ đánh giá mức độ chấn động chấn động nổ mìn đến cơng trình lân cận (SN 640 312:1978) Bảng 3.7 Tiêu chuẩn GB 6722-2003 Trung Quốc mức độ an tồn kết cấu cơng trình ngầm sở giá trị cho phép [PPV] Bảng 3.8 Tiêu chuẩn Đức mức độ an toàn kết cấu cơng trình ngầm sở giá trị [PPV] (DIN4150 1999-02) Bảng 3.9 Hệ số tỉ lệ khoảng cách [PPV] theo quy phạm Bảng 3.10 Mối quan hệ Dib mức độ phá hủy khối đá bao quanh kết cấu chống giữ đường hầm (vỏ chống bê tông cũ) 52 53 53 53 56 Bảng 3.11 Kết đo chấn động gây trình nổ mìn đường hầm cảm biến P với dải tần số thấp (f=130 Hz) 64 Bảng 3.12 Thông số học khối đá khảo sát 66 Bảng 3.13 Kết tính tốn giá trị [PPV], mm/s 66 Bảng 3.14 Dự báo lượng thuốc lớn cho lần nổ, kg 67 Bảng 3.15 Vị trí khu vực nghiên cứu đường hầm 70 Bảng 3.16 Quan hệ Ln(K),  RMR cảm biến P với H>0 71 Bảng 3.17 Quan hệ Ln(K),  RMR cảm biến P với H