Bài viết giới thiệu một số kết quả nghiên cứu mô phỏng sử dụng phần mềm FLAC 2D, chú ý đến ảnh hưởng của sự phân bố các lớp đá, kích thước miền nghiên cứu, ảnh hưởng của việc lựa chọn, thay thế điều kiện biên và ảnh hưởng của khoảng cách giữa đường hầm và mặt ranh giới giữa khối đá rắn cứng với lớp phủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các quy luật biến đổi cơ học phức tạp và đa dạng, khác xa so với các lời giải giải tích sử dụng các mô hình đơn giản.
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện biên kích thước vùng nghiên cứu đến kết dự báo phân tích tai biến địa chất xây dựng cơng trình ngầm sử dụng phương pháp số Nguyễn Quang Phích1*, Nguyễn Huy Vững1, Ngơ Dỗn Hào2, Nguyễn Trọng Tâm3 Trường Đại học Bình Dương Trường Đại học Mỏ - Địa chất Trường Đại học Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh Ngày nhận 10/8/2018; ngày chuyển phản biện 13/8/2018; ngày nhận phản biện 4/10/2018; ngày chấp nhận đăng 9/10/2018 Tóm tắt: Trong xây dựng cơng trình ngầm thường gặp khối đất đá có cấu trúc phức tạp, cấu trúc phân lớp với lớp đất đá có thơng số hình học học khác Các cố phá hủy xảy khối đất đá, đặc điểm địa chất phức tạp (tai biến địa chất) đa dạng, gây thiệt hại nhiều người sở hạ tầng Nhiều phương pháp áp dụng để nghiên cứu dự báo dạng quy mô tai biến địa chất, phương pháp số góp phần đắc lực Tuy nhiên, miền khảo sát không đồng nhất, nên thực tế tai biến địa chất chưa dự báo hết, khơng cẩn trọng xây dựng mơ hình tính, việc lựa chọn kích thước miền nghiên cứu, điều kiện biên Bài viết giới thiệu số kết nghiên cứu mô sử dụng phần mềm FLAC 2D, ý đến ảnh hưởng phân bố lớp đá, kích thước miền nghiên cứu, ảnh hưởng việc lựa chọn, thay điều kiện biên ảnh hưởng khoảng cách đường hầm mặt ranh giới khối đá rắn cứng với lớp phủ Kết nghiên cứu cho thấy, quy luật biến đổi học phức tạp đa dạng, khác xa so với lời giải giải tích sử dụng mơ hình đơn giản Đồng thời kết nhận cho thấy, giải vấn đề thực tế, với khối đất đá có cấu trúc phức tạp, cần thiết phải linh hoạt thận trọng việc xây dựng tốn với liệu thích hợp Từ khóa: điều kiện biên, FLAC 2D, khối đá phân lớp, kích thước vùng nghiên cứu, tai biến địa chất, xây dựng cơng trình ngầm Chỉ số phân loại: 2.1 Mở đầu Trong xây dựng cơng trình ngầm thường gặp khối đất đá có cấu trúc phức tạp, ví dụ tính phân lớp với lớp đất/đá có thơng số hình học học khác Nghiên cứu trình biến đổi học khối đất đá xung quanh khoảng trống ngầm, bờ dốc thường sử dụng phương pháp lý thuyết, bao gồm phương pháp giải tích phương pháp số [1, 2] Các lời giải giải tích thường nhận dạng “nghiệm kín” cho tốn với sơ đồ giải mơ hình học đơn giản khối đất đá Để ý yếu tố biểu học, đặc điểm địa chất, điều kiện biên phức tạp, nhiều mơ hình giải tích [3, 4] phương pháp số phát triển áp dụng, phương pháp giải gần hệ phương trình học phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn phương pháp không lưới [5-7] Tuy nhiên, việc giải toán địa học phương pháp số thường gắn liền với miền khảo sát hữu hạn điều kiện biên lựa chọn tương xứng, nhiều mang tính chủ quan, khơng có phân tích việc chọn kích thước miền nghiên cứu điều kiện biên tương ứng, ví dụ cơng trính [8-11] Để làm rõ tác động yếu tố nêu đến kết nghiên cứu, mô phỏng, cần thiết phải triển khai xây dựng phân tích mơ hình với điều kiện khác Một số kết nghiên cứu bước đầu cho thấy rõ ảnh hưởng yếu tố hình học điều kiện biên biến động chúng đến kết phân tích, dự báo tai biến địa chất rõ nét Đồng thời kết gợi ý cho người sử dụng phương pháp số vấn đề cần đặc biệt ý lập mơ hình tính trường hợp khối đất đá không đồng nhất, điều kiện biên phức tạp Tác giả liên hệ: Email: nqphichhumg@gmail.com * 61(3) 3.2019 36 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Influences of selected boundary conditions and size of the study area on the forecast and analysis results of geological hazards in underground construction when using numerical methods Phương pháp nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết Bài toán nghiên cứu, phân tích tai biến địa chất xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ xây dựng toán học, ý đến đặc điểm địa chất yếu Phương pháp nội dung nghiên cứu Cơ sở chủ lý thuyếtyếu, thực theo sơ đồ tổng quát tố tác động Bài tốn nghiên cứu, phân tích tai biến địa chất xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ xây dựng toán học, ý đến đặc điểm địa hình chất yếu tố tác động chủ yếu, thực theo sơ đồ tổng quát hình Trạng thái nguyên sinh Địa hình, địa mạo; trọng lực; lực kiến tạo; đặc điểm địa chất, thủy văn; tính chất học đá, khối đá Quang Phich Nguyen1*, Huy Vung Nguyen1, Doan Hao Ngo2, Trong Tam Nguyen3 Binh Duong University Hanoi University of Mining and Geology Ho Chi Minh City University of Transport Trạng thái thứ sinh Trạng thái nguyên sinh yếu tố liên quan; trình hình thành khoảng trống yếu tố tác động liên quan; hình dạng, kích thước khoảng trống Received 10 August 2018; accepted October 2018 Hình thành khoảng trống ngầm Tự nhiên, nhân tạo; biến đổi theo thời gian Điều kiện hóa - lý, tự nhiên Nhiệt độ, độ ẩm; nước ngầm dạng tác động; động đất… Phân bố lại ứng suất Dịch chuyển, biến dạng Abstract: In the construction of underground structures, we often face complex rock masses, such as stratigraphy with layers of rock and soil of different geometrical and mechanical parameters The geological variations are often diverse and complex and cause huge losses of human and infrastructure during the construction works In order to reasonably predict the types and sizes of geo-risks, attention should be paid to the use of numerical methods Since the rock mass to be examined is heterogeneous, rational schemes and sequences must be developed so that the results best reflect the realities possible The article presents some simulation results using the FLAC 2D software, taking into account the influence of the distribution of the rock strata, the size of the simulated area, the selection of the boundary conditions, and the distance from the tunnel to the boundary between the solid rock mass and the coat The results showed that the geomechanical processes are complex and diverse, much more different than the analytical solutions with simple models At the same time, it also required to be flexible and careful for using the appropriate data when solving a practical problem Keywords: boundary conditions, FLAC 2D, geological hazards, layered rock mass, size of the study area, underground construction Classification number: 2.1 Hậu - tai biến địa chất + Lún sụt, trụt lở đến mặt đất + Phá hủy, biến dạng mạnh lòng đất + Bục nước, khí Hình Sơ đồ phân tích dự báo tai biến địa chất - kỹ thuật xây dựng cơng ngầm khai thác tích mỏ hầmdự lò báo tai biến địa chất - kỹ thuật Hình trình Sơ đồvà phân Mơ hình dự báo nội dung nghiên cứu xây dựng Để cơng trình ngầm khai thác mỏ hầm lò nghiên cứu q trình biến đổi học khối đất đá phân lớp xung quanh cơng trình ngầm, chúng tơi xây dựng mơ hình dự báo phần mềm FLAC 2D Nghiên cứu mơ thực có ý đến yếu tố gồm: có mặt cácdự lớp đá trật chúng khối đá; kích thước Mơ hình báo vàtự phân nộibốdung nghiên cứu miền nghiên cứu, tốn khơng có tính đối xứng; điều kiện biên, liên quan với việc thay lớp đá phía trên, cơng trình nằm sâu; khoảng cách cơng Để q trình biến trìnhnghiên ngầm cứu khối đá rắn cứng với lớp phủ khối đá bởđổi rời học khối đất đáKếtphân lớp xung quanh cơng trình ngầm, chúng tơi thảo luận hưởng phân bố lớp đá mơ hình xây dựngẢnh mơ hình dự báo phần mềm FLAC 2D Trong khối đá trầm tích thường xuất lớp đá khác nhau, với trật tự phân bố đa dạng Các lời giải giải tích thường cho quy luật tổng quát với giả Nghiên cứu mơ thực có ý đến yếu thiết khối đá đồng nhất, đẳng hướng Một số lời giải cho môi trường đồng dị tố gồm: có mặt lớp đá trật tự phân bố chúng khối đá; kích thước miền nghiên cứu, tốn khơng có tính đối xứng; điều kiện biên, liên quan với việc thay lớp đá phía trên, cơng trình nằm sâu; khoảng cách cơng trình ngầm khối đá rắn cứng với lớp phủ khối đá bở rời Kết thảo luận Ảnh hưởng phân bố lớp đá mơ hình Trong khối đá trầm tích thường xuất lớp đá khác nhau, với trật tự phân bố đa dạng Các lời giải giải tích thường cho quy luật tổng quát với giả thiết khối đá đồng nhất, đẳng hướng Một số lời giải cho môi trường đồng dị hướng ý, song tính phức tạp nên chưa áp dụng nhiều vào thực tế Trong đó, phương pháp số, phần mềm FLAC 2D giải tốn biên, ý tính phân lớp khối đá Mơ hình khảo sát xây dựng cho trường hợp khối đá, bao gồm lớp đá cát kết, bột kết, sét kết than nằm dốc nghiêng với tham số học bảng Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng trật tự phân bố lớp đến tượng biến đổi học 61(3) 3.2019 37 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ hướng ý, song tính phức tạp nên chưa áp dụng nhiều vào thực tế Trong đó, phương pháp số, phần mềm FLAC 2D Dữ liệubàivềtốn tính học lớpkhối đá đá khối cóBảng thể giải biên,chất ýcơ tínhcủa phâncác lớp đá phân lớp.khảo sát xây dựng cho trường hợp khối đá, bao gồm lớp Mơ hình nghiêng với tham số học đá cát kết, bột kết, sét kết than nằm dốc Lực dính Góc đunlớp Mật độ bảng Kết nghiên cứu cho thấyma ảnhsát hưởngMô củađun trậtnén tự phân Mô bố Loại kết C thể tích K trượt G đếnđácác tượng biến đổi học (g/cm3) (Mpa) (độ) (Gpa) (Gpa) Bảng Dữ liệu vềtính chất học lớp đá khối đá phân lớp Cát kết 2,61 1,00 40 11,60 8,70 Thanđá Mật 1,30độ Lực 0,01 35 ma sát Mơ 2,60 Loại dính kết Góc đun nén Mơ1,30 đun C 1,00 thể10,00 tích K trượt Bột kết 2,50 25 7,00G (Gpa) (Gpa) (độ) Sét kết (g/cm 2,60 ) (Mpa) 0,10 30 9,60 2,70 Cát kết 2,61 1,00 40 11,60 8,70 Hai chương trình tính lập với trật tự lớp Than 1,30 0,01 35 2,60 1,30 khối đá khác nhau, cụ thể là: trường hợp 1, từ xuống Bột kết 2,50 1,00 25 10,00 7,00 (trái phải) là0,10 lớp bột30kết - sét kết Sét kếtqua2,60 9,60- than - sét 2,70kết - cát kết; trường hợp 2, từ xuống (trái qua phải) lớp cátHaikết - séttrình kếttính - than bộtvớikết Đường dạng chương được-lập trật-tựcát cáckết lớp khối hầm đá kháccónhau, cụ tường thẳng nguyệt m lớp bột rộng thể là: trường hợp 1,vòm từ trênbán xuống (trái qua(cao phải) kết -2sétm), kết -được than sét kết - cát kết;than, trườngđỉnh hợp 2,lòtừcách xuống (trái qua phải) lớp lớp cát - sét đào bề mặt củalàcác đákếtcứng kết thanm - bột kết - cát kết Đường dạngthước tường thẳng vòmm, bánđủ nguyệt -12 Miền nghiên cứuhầm có có kích 30x30 lớn(cao so 2với m vàkích rộng 2thước m), đượccủa đào cơng than, đỉnh lò cách bề mặt lớp đá cứng trình ngầm Các mơ hình phân tích làđược 12 m thể Miềnhiện nghiêntrên cứu hình có kích2.thước 30x30 m, đủ lớn so với kích thước cơng trình ngầm Các mơ hình phân tích thể hình (A) (B) Hình 2.2.HaiHai mơ mơ hình hình mơ đá phân lớpđá với phân trật tự lớp lớp kháctự nhau: Hình môkhối khối vớiđátrật (A) bột sét kết, than,(A) sét kết, kết;sét (B) cát kết,than, sét kết,sét than, bộtcát kết, cát kết.(B) lớp đá kết, khác nhau: bộtcát kết, kết, kết, kết; cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết Kết phân tích, mơ cho thông tin đầy đủ quy luật biến Kết phân tích, mơ cho thơng tin đầy đủ đổi học xảy khối đá xung quanh đường hầm, bao gồm quy luật về biến đổi khối phân bố ứngquy suất,luật dịch chuyển, biếncơ dạnghọc sựxảy hìnhra thành vùng pháđá hủy.xung Trên quanh cácpháquy phân ứng hình đường cáchầm, kết quảbao minhgồm họa vùng hủy luật (vùng với gạchbố chéo) suất, biến đường hình biểu đồ dịch lún trênchuyển, mặt khối đá cứngdạng phía hầm.thành Biểu đồcác lún vùng biểu thịphá mối quan độcác lún kể từ mặt giácác trị âmkết (-) tọa minh độ theo họa phương ngangphá hủy.hệTrên hình đất, 4có vùng miền nghiên cứu, kể từ trái qua phái, với đơn vị đo mét (m) hủy (vùng với gạch chéo) biểu đồ lún mặt khối Các kết nhận đường cho hầm thấy, vùng pháđồ hủylún dịchbiểu chuyển đá đá cứng phía Biểu thịtrong mốikhối quan xung quanh đường hầm khơng có tính đối xứng Vùng phá hủy phát triển hệ yếu độlớplún âmđá(-) tọaSođộ chủ thankểvàtừlanmặt cho đất, đến bềcómặtgiá củatrị khối rắn cứng sánhtheo cho phương ngang miền nghiên cứu, kể từ trái qua phải, với đơn vị đo mét (m) Các kết nhận cho thấy, vùng phá hủy dịch chuyển khối đá xung quanh đường hầm khơng có tính đối xứng Vùng phá hủy phát triển chủ yếu lớp than lan bề mặt khối đá rắn cứng So sánh cho thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính 61(3) 3.2019 thấy trường hợp vùng phá hủy phát triển rộng Độ lún (đo m) bề mặt trườnghợphợp cũngphácóhủy biênphát độ lớn nhưbề thấy trường vùng triểnhơn, rộngmặc hơn.dùĐộquylúnluật (đođịnh bằngtính m) làtrên Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất, mặt trường hợp có biên độ lớn hơn, quy luật định tính trật tự lớp là: bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường Hình Vùngtrên phá hủy xung quanh vàlớp biểulà: đồ đườngkết, cong lún mặt đất, cong đất, khiđường trật lòtựhầm Hình 4.lún Vùng phá mặt hủy xung quanh đường biểubột đồ lún trênsét mặtkết, đất, than, trật trật tựVùng lớp là: bột kết,xung sét kết, than, sét kết, cátbiểu kết.đồ Hình phá hủy quanh đường lò đường cong lún mặt Hình Vùng phá hủy xung quanh đường lò biểu đồ đường cong lún mặt đất, đất, sét kết, cát kết tự lớp là: cát kết, sét kết, than, bột kết, cát kết khi trật trật tự tự lớp lớp là: là: bột bột kết, kết, sét sét kết, kết, than, than, sét sét kết, kết, cát cát kết kết Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc phân lớp, quy luật phân bố ứng suất, dịch chuyển hình thành vùng phá hủy phụ thuộc vào phân bố lớp khối đá, cần thận trọng áp dụng quy luật nhận lời giải giải tích đơn giản Qua hai mơ hình khảo sát nhận thấy: mơ hình thứ 2, trình dịch chuyển, biến dạng đạt giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mơ hình có hai lớp cát kết cứng vững đá trụ đá vách; biến động vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng đến trình phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy trường hợp sau phát triển mạnh Ảnh hưởng kích thước miền nghiên cứu Xuất phát từ kết nhận đường cong lún hình cho thấy Hình VùngVùng phá hủy xung quanh đường hầm vàđường biểu đồhầm lún mặt đất,đồ trật Hình hủy xung biểu cần thiết4.phải tăngphá kích thước ngang quanh miền nghiên cứu Mơvàhình dự báo lún tựtrên lớp là: cát kết, séthủy kết,xung than, bột kết, cát kết Hình 4.4.mặt Vùng phá quanh đường hầm biểu đồ mặt trật Hình Vùng phá hủy xung quanh đường hầm và biểusét đồ lún lún trên mặt đất, đất, trật đất, trật tự lớp là: cát kết, kết, than, bột kết, khảo sát có điều kiện địa chất, địa học mơ hình (bột kết,khi sét kết, tự là: tự lớp lớp là: cát cát kết, kết, sét sét kết, kết, than, than, bột bột kết, kết, cát cát kết kết cát kết than, sét kết, cát kết) với miền nghiên cứu nới rộng, cụ thể có kích Từ kết nhận rút nhận xét sau: khối đá có cấu trúc thướcTừ 70x30 mkết (rộngxcao) Các kết có nhậnthể được, so sánh vớinhận trườngxét hợpsau: miền nhận rút phânTừ lớp,cácmọi vềđược phân ứngrútsuất, dịchnhận chuyển vàcác sựkhihình vùng kếtquy quảluật nhận cóbốthể xétra sau: khốithành đá cócáccấu trúc nghiên cứu có kích thước 30x30m, thể hình khối đáquycó trúcbố lớp, quy luật phân bố phá thuộc vào sựvềphân lớpdịch khối đá,sự hình vậyvề cần thận phânhủy lớp,phụmọi luậtcấu phân bốphân ứngcác suất, chuyển thành cáctrọng vùng ứng suất, dịch chuyển hình thành phá dụng quyvào luật lời giảikhối tích giản Qua haihủy mơ phááphủy phụcác thuộc sựnhận phânđược bố lớpgiải đá,đơnvìvùng cần thận trọng hình khảo sát nhận thấy: mơ 2, trình dịch biến dạng đạt áp dụng quy luậtởphân nhậnhình lờiq giải giải tích chuyển, đơn giản Qua hai mô phụ thuộc vào bốthứ lớp khối đá, trị tương đốithấy: lớn ởcác mơ hình 2luật cótrình cảnhận hai cát kếtbiến cứngdạng vững hìnhgiákhảo sáttrọng nhận ởáp mơmặt hìnhdùthứ 2, dịchlớp chuyển, đạt cần thận khihơn, dụng quyquá lời đágiải trụtương đá đối vách; sựhơn, biếnmặt động vị mơ trí ràng đến giá trị lớngiản dù ởhai mơ hìnhcủa có cảlớp hairõlớp cátảnh kếthưởng cứng vững giải tích đơn Qua hình khảo sát nhận thấy: quáđátrình bố2,ứng dịch chuyển khốilớpđá;rõvùng hủy trụ vàphân đá vách; sựsuất, biến động vịdịch trítrong củachuyển, ràng ảnhdạng hưởng đến ởtrong mơ hình thứ trình biếnphá đạt trường sau phân phát triển mạnhsuất, hơn.dịch chuyển khối đá; vùng phá hủy quáhợptrình bố ứng giá trị tương đối lớn hơn, mặt dù mơ hình có hai kíchmạnh thước miền nghiên cứu trườngẢnh hợphưởng sau phátcủatriển lớp cát kết cứng vững đáđường trụ đá vách; biến động Xuất từ kết nghiên cong Ảnhphát hưởng củaquả kíchnhận thước miền cứu lún hình cho thấy vị trí lớp rõ ràng ảnh hưởng trình cần thiếtXuất phảiphát tăngtừkích thướcnhận ngang cứu.đến Mơhình hình5 dự kết đượccủavề miền đườngnghiên cong lún 6báocho thấy phân bố ứng suất, dịch chuyển khối đá; vùng phá khảo sát cóphải cùngtăng kích điều thước kiện địangang chất, địa họcnghiên cứu mơ hình (bộtdự kết,báo séthủy kết, cần thiết miền Mơ 1hình hợp sau phát triển mạnh than, kết, cát kết) nghiên cứu nới hình rộng,1 (bột cụ thể khảosét sáttrường có điều kiệnvới địamiền chất, địa học mô kết,cósétkích kết, thước 70x30 mcát(rộngxcao) Cácvớikếtmiền nghiên nhận được, so sánh với trường hợpcómiền than,Ảnh sét kết, kết) cứu nới rộng, cụ thể kích hưởng kích thước miền nghiên cứu nghiên có kích thước 30x30m, thể hiệnnhận hình thước cứu 70x30 m (rộngxcao) Các kết được,5.so sánh với trường hợp miền Xuất phát kết30x30m, nhận về5.đường cong lún nghiên cứu có kích từ thước thể hiệnđược hình hình cho thấy cần thiết phải tăng kích thước ngang miền nghiên cứu Mơ hình dự báo khảo sát có điều kiện địa chất, địa học mơ hình (bột kết, sét kết, than, sét kết, cát kết) với miền nghiên cứu nới rộng, cụ thể có kích thước 70x30 m (rộngxcao) Các kết nhận được, so sánh với trường hợp miền nghiên cứu có kích thước 30x30m, thể hình Như vậy, kích thước vùng nghiên cứu chọn nhỏ, khơng thể phân tích, dự báo hết vùng lún sụt phá hủy khối đá 38 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ rắn cứng lớp phủ; đường cong Như vậy, kích thước vùng nghiên cứu chọn khávànhỏ, khơng thể lún sụt nhận mặt đất gần đầy đủ phân tích, dự báo hết vùng lún sụt phá hủy khối đá Mô hình dự báo rắn cứng lớp phủ; đường cong lún sụt nhận mặt đất gần đầy đủ (A) Mơ hình dự báo (A) (B) (B) Như vậy, kích thước vùng nghiên cứu chọn nhỏ, khơng thể phân tích, dự báo hết vùng lún sụt phá hủy khối đá Vùng phá hủy Vùng phá hủy Mơ hình dự báo Hình Vùng phá hủy khối đá, tương ứng với miền nghiên cứu rộng (A) 70 m (B) 100 m Đường cong lún Vùng phá hủy Đường cong lún hình Mơ hình quảdự dự báo báo phá phá hủy, sụtsụt với với kíchkích thước miền Hình Hình Mơ và kếtkết hủy,lún lún thước miền nghiên cứu 30x30 m (bên trái) 70x30 m (bên nghiên cứu 30x30 m (bên trái) 70x30 m (bên phải) Đường cong lún phải) (A) (A) (A) (A) Trong thực tế, phía khối đá rắn cứng tồn Biểu lớp đất đá phủ, gây mặtvùng ranhđágiới vùng đá Biểu Biểu đồ lúnđồ trênlún mặt ranh giới giớivùng vùng Biểulún đồ lún trênmặt mặtranh ranh giới đá đá Trong thực tế, phía khối đá rắn cứng tồn đồ rắn cứng với tầng kích phủ kích thêm áp lực lên bề mặt khối đá rắn cứng Để thấy ảnh rắn hưởng lớp phủ, haiphủ rắn phân cứnglớpphân lớpphủ vớikhitầng rắn cứng phân lớp với tầng kíchkích cứng phân lớp với tầng phủkhikhi lớp đấtđược đá phủ, gâysátthêm áp lực lên bề 30 mặtmkhối đátrên rắn thước vùng khảo sát 100x60 m thước vùng khảo sát 70x60 m thước vùng khảo sát 100x60 m mơ hìnhtại dự báo khảo có lớp phủ dày hình 6, với kích thước thước vùng khảo sát 70x60 m Hình Mơ hình kết dự báo phá hủy, lún sụt với kích thước miền Để thấy ảnh hưởng lớp phủ, hai mơ hình miềncứng nghiên cứu a) 70x60 m b) 100x60 m Lớp phủ có tham số vật lý, nghiên cứu 30x30 m (bên trái) 70x30 m (bên phải) học 2.000 mơphủ đundày nén tíchtrên K=33.333.10 Pa; mơ đun trượt dựmật báo độ khảokg/m sát có3; lớp 30thể m hình 6, Trong thực tế, phía khối đá rắn cứng tồn lớp đất đá phủ, gây G=20.10vớiPa; góc ma sát φ=30 lực dính kết c=50.10 Pa kích thước miền nghiên cứu (A) 70x60 m (B) thêm áp lực lên bề mặt khối đá rắn cứng Để thấy ảnh hưởng lớp phủ, hai 100x60 m Lớp phủ có tham số vật lý, học mật độ mơ hình dự báo3 khảo sát có lớp phủ dày 30 m hình 6, với kích thước mơlàđun nén thể K=33.333.10 Pa;cómơ 2.000 miền kg/m nghiên;cứu a) 70x60 m vàtích b) 100x60 m Lớp phủ đun tham số vật lý, Pa; góc ma sát φ=30 lực dính trượt G=20.10 học mật độ 2.000 kg/m ; mơ đun nén thể tích K=33.333.106 Pa;kết mơ đun trượt G=20.10 góc ma sát φ=300 lực dính kết c=50.103 Pa Pa c=50.10Pa; (A) (B) (B) (B) Biểu đồ lún mặt đất kích thước Biểu (B) đồ lún mặt đất kích thước vùnglún khảotrên sát làmặt 70x60 vùngBiểu khảo sát 100x60 Biểu đồ đấtm.khi kích thước đồlàlún trênm.mặt đất kích thước (B) vùng khảo sát 70x60 m.các biểu đồ lún vùng khảo sátmặt 100x60giới m Hình Mơ hình đường hầm khối đá phân lớp có lớp phủ dày 30 m.Hình Hình Hình Hình dạng cácdạng biểu đồ lún sụt : (A) mặtsụt: ranh (A) giới khối đáranh rắn cứng cứng phủmiền vànghiên (B) mặtnhau đất với kích vớigiữa tầng khối phủ đá (B)rắn mặt đất với với tầng kích thước cứu khác (các kích (A)mơ cho thấy, (B) quy mơ vùng phá Hình 8thước thước Hình lúnkhác sụt : (A) giớiđogiữa ối đá rắn cứng m) đo dạng miền nghiên cứu (cácmặt kíchranh thước bằngkhm) Kết hủy hình 7biểu đồ với tầng phủ (B) mặt đất với kích thước miền nghiên cứu khác (các kích đường cong lún sụt biên ranh giới vùng đá rắn thước cứngđovàbằng lớpm) phủ (A-phía Tiếp tục mở rộng miền khảo sát đến kích thước 150x60 trên) vàHình mặt đất (B-phía dưới) hình Mơ hìnhhình đường hầm đákhối phânđá lớpphân có lớplớp phủcódày 30phủ m Hình Mơ đường hầm khối lớp m nhận đượccứu biểu Kết nhận cho thấy tăng chiều rộng miền nghiên đến đồ lún sụt hình Kết cho dày 30 m thơng tin tồn vùng phá hủy gần ranh giới lớp đá 100 m, nhận thấy, đường cong lún ranh giới khối đá rắn cứng Kết mô cho thấy, quy mơ vùng phá hủy hình đườngKết congquả lún mô sụt biêncho ranhthấy, giới cứngphá lớp phủ (A-phía quyvùng mơ đá cácrắnvùng hủy tầng phủ khơng có khác biệt so với trường hợp trên) mặt đất (B-phía dưới) hình hình đường cong lún sụt biên ranh giới vùng khảo sát có kích thước 100x60, nhiên có Kết nhận cho thấy tăng chiều rộng miền nghiên cứu đến vùng đá rắn cứng lớptồn phủbộ(A-phía ranh trêngiới mặtgiữa đường 100 m, nhận thông tin vùng phátrên) hủy gần lớp đá cong lún mặt đất đầy đủ Hình cho thấy, đất (B-phía dưới) hình phía bên trái có vùng bị đẩy trồi tương đối, Kết nhận cho thấy tăng chiều rộng phía bên phải lún sụt xảy mạnh Nguyên nhân miền nghiên cứu đến 100 m, nhận thông tin trường hợp có lớp bột kết mềm nằm phía tồn vùng phá hủy gần ranh giới lớp đá rắn cứng bên phải Đương nhiên, hai phía trái phải lại có lớp phủ; đường cong lún sụt nhận mặt đất lớp đá rắn mềm xen kẽ, chắn lún sụt xảy phức tạp gần đầy đủ 61(3) 3.2019 39 Sơ đồ mô Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Vùng phá hủy Sơ đồ mô Đường cong lúnVùng phá hủy ranh giới khối đá cứng lớp phủ Lún sụt mặt ranh giới khối đá rắn cứng tầng phủ Lún sụt mặt đất Hình Biểu đồ lún sụt kích thước miền khảo sát 150x60 m Ảnh hưởng việc lựa chọn, thay điều kiện biên Thơng thường, cơng trình ngầm nằm sâu, để nghiên cứu quy luật biến đổi học khối đá xung quanh khoảng trống ngầm, phân tích tai biến địa chất kỹ thuật, khảo sát vùng với kích thước “đủ lớn”, đồng thời thay lớp đất đá phía giá trị áp lực tác dụng mặt biên miền nghiên cứu Để đánh giá ảnh hưởng cách xây dựng mơ hình với điều kiện biên chọn, mơ hình lập để khảo sát khối đá rắn cứng phân lớp, có lớp đất đá phủ dày 30 m, theo hai sơ đồ: khảo sát tồn khối đá với kích thước vùng khảo sát 150x60 m, nghĩa có lớp hay tầng phủ; khảo sát vùng khối đá đến biên ranh giới khối đá cứng phân lớp tầng phủ, tầng phủ với mật độ 2.103 kg/m3 thay áp lực thẳng đứng, giá trị 0,6 MPa Sơ đồ tính kết so sánh vùng phá hủy đường cong lún sụt ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ thể hình 10 Có thể nhận thấy, hai mơ hình cho kết vùng phá hủy hay biến dạng dẻo khối đá xem gần nhau, đó, độ lún biên vùng khối đá phân lớp theo sơ đồ có tầng phủ cho giá trị nhỏ phân bố mặt so với trường hợp thay lớp phủ áp lực biên Điều giải thích cách tính mơ hình sau mang tính cưỡng tải trọng (cơ chế cứng), mơ hình có vùng đất phủ q trình lún sụt, có phân bố lại ứng suất tầng phủ biên ranh giới khối đá rắn cứng lớp phủ, tạo nên phân bố biến dạng Dịch chuyển lệch biên đường hầm (đường lò) có quy luật định tính nhau, độ dịch chuyển tuyệt đối lớn umax có chênh lệch định, cụ thể mơ hình có lớp phủ umax=2,12.10-3 m mơ hình thay áp lực theo phương thẳng đứng có umax=2,180.10-3 m, thể hình 11 Ngồi ra, kết nhận cho thấy ảnh hưởng rõ tính phân lớp góc cắm lớp đến dịch chuyển lệch biên đường hầm, đồng thời 61(3) 3.2019 Đường cong lún bề mặt miền nghiên cứu Đường cong lún Đường cong (B) lún bề mặt giới khối miềnvới nghiên cứng mơ hình có lớp phủ (A) Hình 10 So sánh kết mơ đá mơ hình thay cứu lớp (B) phủ lớp phủ áp lực thẳng đứng (A) ranh Dịch chuyển lệch biên đường hầm (đường lò) có quy luật định tính nhau, độ dịch chuyển (A) tuyệt đối lớn u max có chênh (B) lệch định, cụ thể mơ hình có lớp phủ umax=2,12.10-3 m mơ hình thay áp lực theo -3 phương thẳng đứng uphỏng m,cóthể 11 Ngồi ra, kết max=2,180.10 Hình 10 So10 sánhSo kết có mơkết mơ mơ hình lớp phủ (A) vớihình mơ hình Hình sánh mơ hình cóthay lớpthếphủ (A) đượcápcũng cho đứng thấy (B) ảnh hưởng rõ tính phân lớp góc cắm lớp lớpnhận phủ lực thẳng vớidịch mơ chuyển hình thay thếbiên lớpcủa phủ ápcũng lực đồng thẳng (B) nhân gây đến lệch đường hầm, thờiđứng nguyên Dịch chuyển lệchcấu trênchống biên đường hầmlệch (đường lò) có địnhnhững tính áp lực lệch lên kết Áp lực thường quy mộtluật nguyên nhân nhau, chuyển tuyệtcấu đốichống lớn u max có chênh lệch định, cụ thể gây độ phádịch nhủy kết -3 mơ hình có lớp phủ umax=2,12.10 m mơ hình thay áp lực theo phương thẳng đứng có umax=2,180.10-3 m, thể hình 11 Ngồi ra, kết nhận cho thấy ảnh hưởng rõ tính phân lớp góc cắm lớp đến dịch chuyển lệch biên đường hầm, đồng thời nguyên nhân gây áp lực lệch lên kết cấu chống Áp lực lệch thường nguyên nhân gây phá nhủy kết cấu chống (A) (B) Hình 11 11 Quy luậtluật dịchdịch chuyển biêntrên hầm biên mơhầm hình có lớp phủhình (A) vàcó Hình Quy chuyển mơ mơphủ hình (A) thay mơ bằnghình áp lựcthay thẳng đứngbằng (B) áp lực thẳng đứng (B) lớp (B) (A) nguyên nhân gây áp lực lệch lên kết cấu chống Áp lực lệch thường nguyên nhân gây phá hủy kết cấu chống Hình 11 Quy luật dịch chuyển biên hầm mơ hình có lớp phủ (A) mơ hình thay áp lực thẳng đứng (B) Ảnh hưởng khoảng cách đường hầm mặt ranh giới khối đá rắn cứng với lớp phủ Trong mơ hình phân tích cho kết hình 6, đường hầm bố trí cách bề mặt ranh giới khối đá rắn cứng phân lớp tầng phủ 13 m, cho thấy vùng phá hủy xung quanh hầm phát triển ranh giới này, nghĩa vùng phá hủy liên thông với tầng phủ Khi tầng phủ lớp đá rời (đất), với thời gian, đường hầm khơng chống giữ tốt, xảy sụt lở đến mặt đất, đặc biệt có mưa, yếu tố tác động thiên nhiên, gây tượng xói mòn lớp đất phủ Hiện tượng xảy chậm theo thời gian dẫn đến cố lún sụt bất ngờ, gọi “hố tử thần” Rõ ràng, bố trí đường hầm sâu hơn, vùng phá hủy phát triển lớn hơn, thành phần ứng suất lớn hơn, vùng phá hủy không phát triển đến ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ, sụt lở đến mặt đất khơng bị xảy Trên hình 12 cho thấy, vùng phá hủy, 40 Ảnh hưởng khoảng cách đường hầm mặt ranh giới khối đá rắn cứng với lớp phủ Trong mơ hình phân tích cho kết hình 6, đường hầm bố trí cách bề mặt ranh giới khối đá rắn cứng phân lớp tầng phủ 13 m, cho thấy vùng phá hủy xung quanh hầm phát triển ranh giới này, nghĩa vùng phá hủy liên thông với tầng phủ Khi tầng phủ lớp đá rời (đất), với thời gian, đường hầm khơng chống giữ tốt, xảy sụt lở đến mặt đất, đặc biệt có mưa, yếu tố tác động thiên nhiên, gây tượng xói mòn lớp đất phủ Hiện tượng xảy chậm theo thời gian dẫn đường hầm bố trí cáchgọiranh đến cố lún sụt bất ngờ, cácgiới “hố tử thần”.khối đá cứng Rõ ràng, bố trí đường hầm sâu hơn, vùng phá hủy phát triển lớp phủ mềm yếu 43 m Nghĩa để phòng tránh sụt lớn lở hơn, thành phần ứng suất lớn hơn, vùng phá hủy không đến mặt đất cần phân tích với tốn biên khác nhau, phát triển đến ranh giới lớp đá rắn cứng lớp phủ, sụt lở đến mặt đất không bị để xảycó thể Trên lựa hình chọn 12 cho khoảng thấy, vùngcách phá hủy, bố trí cách hợpkhilýđường giữahầm đường hầm ranh giới khối đá cứng lớp phủ mềm yếu 43 m Nghĩa để phòng tránh lớp đất phủ sụt lở đến mặt đất cần phân tích với tốn biên khác nhau, để lựa chọn khoảng cách hợp lý đường hầm lớp đất phủ Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ ứng từ tốn biên có kích thước lớn Đương nhiên, có máy tính cấu hình mạnh nhớ lớn nhận kết định lượng cho tốn có miền nghiên cứu đủ lớn Mặt khác, sử dụng mơ hình kết hợp hay tích hợp (hybrid method) phương pháp phần tử biên (BEM-Boundary Element Method) phương pháp khác, phương pháp sai phân hữu hạn (FDM-Finite Difference Method) phần mềm FLAC 2D, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 12 Vùng phá hủy đường hầm cách mặt ranh giới khối đá rắn Hình 12.phủ Vùng phá hủy đường hầm cách mặt ranh giới cứng lớp 43 m khối đá rắn cứng lớp phủ 43 m Kết luận Từ kết mơ với mơ hình khối đá phân lớp, có lớp coi Kếtnhất luận đồng liền khối cho thấy, nằm trật tự xếp lớp đá khối đá, việc lựa chọn điều kiện biên, lựa chọn kích thước vùng hay miền nghiên cứu cáclớnkết môphân với khối lớp, có ảnhTừ hưởng đếnquả kết tích mơ hình hình thành quy đá mơ phân biến đổi cáccó tượng học coi đồng liền khối cho thấy, nằm lớpcơđược Để có kết dự báo hợp lý, người xây dựng chương trình dự báo vàphải trật xếp củaphỏng cácvớilớp lựa cần tiếntự hành công tác mơ đá mơ hình tínhkhối có cácđá, kích việc thước miền nghiên kháckiện nhau,biên, dạng kiện biênthước khác nhau, nghĩahay phải tiến chọncứu điều lựađiều chọn kích củacóvùng miền hành với phép thử thận trọng Trên sở cho phép có nhận nghiên có ảnh lớnvùng đếnphákết tích định tổng thểcứu dạng quyhưởng mô hủyquả trongphân khối đất đá, mứcsự độ lúnhình sụt mặt đất, biến địa chất - kỹtượng thuật khối đá, thành vàcũng quyđược môgọi biến đổitaicủa học khối đá có cấu trúc phân lớp, nhận từ tài liệu khảo sát thăm dò địa chất Để có kết dự báo hợp lý, người xây Trong trường hợp khối đất đá có lớp phủ dày, cơng trình nằm sâu, tốn dựng dựkếtbáo phải tiến xác hành tác vùng mơ phânchương tích khơngtrình thể cho cần định lượng nếucơng kích thước nghiên cứu với q lớn có thểtính khảocó sát miềnkích đủ lớnthước để có kếtnghiên định cácKhi mơđó,hình miền cứu khác nhau, dạng điều kiện biên khác nhau, có nghĩa phải tiến hành với phép thử thận trọng Trên sở cho phép có nhận định tổng thể dạng quy mô vùng phá hủy khối đất đá, mức độ lún sụt mặt đất, gọi tai biến địa chất - kỹ thuật khối đá, khối đá có cấu trúc phân lớp, nhận từ tài liệu khảo sát thăm dò địa chất Trong trường hợp khối đất đá có lớp phủ dày, cơng trình nằm sâu, tốn phân tích khơng thể cho kết định lượng xác kích thước vùng nghiên cứu lớn Khi đó, khảo sát miền đủ lớn để có kết định tính cần thiết ban đầu Tiếp theo, cần dựa vào kết nhận tốn định tính để giải, phân tích tốn biên với kích thước nhỏ Các điền kiện biên cho biên tốn có miền nghiên cứu kích thước nhỏ lấy từ kết phân tích lát cắt tương 61(3) 3.2019 [1] Nguyễn Quang Phích (2007), Cơ học đá, Nxb Xây dựng, Hà Nội [2] Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Đỗ Ngọc Anh (2007), Phương pháp số - chương trình Plaxis 3D UDEC, Nxb Xây dựng, Hà Nội [3] С.Г Лехницкий (1950), Теория упругости анизотропного тела, М.Л.:ГИТЛ [4] К.В Руппенейт (1975), Деформируемость трещиноватых горных пород, М.: Недра [5] A.N Vlasov, V.V Merzlyakov (1993), Deformability parameters of stratified and jointed rock, Safety and environmental issues in rock engineering, Eurorock 93, Lisboa, Portugal [6] Y Hatzor, and R.E Goodman (1992), Application of block theory and the critical key block concept in tunneling; two case histories, Lake Tahoe, California, pp.632-639 [7] T Belytschko, et al (1996), Meshless Methods-An Overview and Recent Developments, Northwesten University [8] P Jia, C.A Tang (2008), “Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass”, Tunnelling and Underground Space Technology, 23, pp.500-507 [9] T Solak, W Schubert (2005), Evaluation of the influence of the rock mass structure on the deformation behavior of tunnels, Taylor & Francis Group, London, ISBN 04 1537-4529 [10] C.W Boon (2013), Distinct Element Modelling of Jointed Rock Masses: Algorithms and Their Verification, A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy at the University of Oxford [11] B Sainsbury, M Pierce and D Mas Ivars (2008), Simulation of rock mass strength anisotropy and scale effects using a Ubiquitous Joint Rock Mass (UJRM) model, Proceedings First International FLAC/DEM Symposium on Numerical Modelling, Itasca 41 ... methods Phương pháp nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết Bài toán nghiên cứu, phân tích tai biến địa chất xây dựng cơng trình ngầm khai thác mỏ xây dựng toán học, ý đến đặc điểm địa chất yếu Phương pháp. .. hầmdự lò báo tai biến địa chất - kỹ thuật Hình trình Sơ đ và phân Mơ hình dự báo nội dung nghiên cứu xây dựng Để cơng trình ngầm khai thác mỏ hầm lò nghiên cứu q trình biến đổi học khối đất đá phân. .. - tai biến địa chất + Lún sụt, trụt lở đến mặt đất + Phá hủy, biến dạng mạnh lòng đất + Bục nước, khí Hình Sơ đồ phân tích dự báo tai biến địa chất - kỹ thuật xây dựng công ngầm khai thác tích