Luận án có kết cấu gồm 5 chương như sau: 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 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;...
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 Chun Ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình ngầm Mã số : 9580204 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬTrọng Hùng Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành Bộ mơn Xây dựng Cơng trình ngầm Mỏ Khoa Xây dựng Trường Đại học Mỏ-Địa chất Người hướng dẫn khoa học: GS.TS.NGND Võ Trọng Hùng Phản biện : GS.TS Đỗ Như Tráng Phản biện : GS.TS Nhữ Văn Bách Phản biện : TS Cao Chu Quang Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường Trường Đại học Mỏ-Địa chất (Theo Quyết định số 1001/QĐ-MĐC ngày 14 tháng 08 năm 2018 Hiệu trưởng Trường Đại học Mỏ-Địa chất) Vào hồi … giờ….ngày…….tháng … năm 2018 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Trường Đại học Mỏ-Địa chất MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết luận án Trong thời gian qua nhiều dự án hầm dân dụng lớn đào đào mở rộng hầm đào gần đường hầm cũ với kết cấu vỏ hầm cần bảo vệ tránh phá hủy hầm Cổ Mã, hầm Hải Vân… Phương pháp thi công lựa chọn khoan nổ mìn đào đá cứng granite, khoảng cách hầm đào hầm cũ tồn lân cận nhỏ: với hầm Cổ Mã cách hầm đường sắt số 24 khoảng 47m; hầm Hải Vân, hầm cách hầm lánh nạn 30m Do vậy, vấn đề đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn đào hầm đến kết cấu đường hầm cũ lân cận cần thiết cấp bách Mặc dù thực tế sản xuất đặt yêu cầu cấp bách cần tiến phải tiến hành nghiên cứu đánh giá, áp dụng giải pháp nhằm giảm thiếu tối đa ảnh hưởng tiêu cực chấn động nổ mìn đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận, xong vấn đề chưa quan tâm mức, chưa có cơng trình khoa học chun sâu chấn động nổ mìn cơng trình ngầm dân dụng Các tiêu chuẩn thiết kế, thi công Quy phạm hành nước ta chưa nhiều nhiều đến vấn đề này, đặc biệt quy định cụ thể cho kết cấu cơng trình ngầm lân cận với vụ nổ Trên giới, hướng nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ cơng trình ngầm lân cận thi cơng đường hầm phương pháp khoan nổ mìn nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu có số kết định Một số tiêu chuẩn số nước đề cập chi tiết đưa ngưỡng cụ thể để đánh giá mức độ ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận CH Liên bang Đức, Trung Quốc Qua cho thấy, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận cần thiết cấp bách Do để đáp ứng yêu cầu cấp bách tác giả lựa chọn luận án với tiêu đề “Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận” Mục tiêu nghiên cứu luận án: Mục tiêu nghiên cứu luận án gồm: - Xây dựng mô hình số 2D, 3D cho phép nghiên cứu phân tích dự báo ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ đường hầm lân cận thi cơng đường hầm phương pháp khoan nổ mìn; - Đánh giá mức độ ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ đường hầm lân cận dựa số liệu đo đạc thực tế số dự án kết nghiên cứu mơ hình số 2D, 3D; - Tìm số quy luật thực nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu chống giữ đường hầm; Đối tượng nghiên cứu luận án - Ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm đến vỏ hầm hầm cũ lân cận; - Kết cấu chống giữ đường hầm lân cận với đường hầm thi cơng phương pháp khoan nổ mìn; Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu phân tích tổng hợp: tiến hành thu thập số liệu đo đạc thực tế dự án hầm thuộc phạm vi nghiên cứu luận án; - Phương pháp đo đạc thực nghiệm: thí nghiệm mẫu đá thu trường; - Phương pháp số: xây dựng mơ hình số đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận thi công đường hầm phương pháp khoan nổ mìn mặt phẳng qua gương hầm (2D) dọc trục đường hầm (3D) Phạm vi nghiên cứu luận án: - Môi trường đất đá đồng nhất, đẳng hướng, chưa xem xét đến ảnh hưởng khe nứt mặt phân cách khối đá đến kết nghiên cứu; - Liên kết vỏ chống bê tông liền khối đường hầm cũ lân cận với khối đá liên kết cứng liên tục Lớp vỏ chống bê tông liền khối giả thiết lớp lát hàn bám chặt vào đất đá dao động với đất đá Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn vấn đề nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học luận án: kết nghiên cứu luận án góp phần làm sở lý luận cho việc đánh giá chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm dân dụng; - Ý nghĩa thực tiễn luận án: kết nghiên cứu luận án phục vụ cho công tác thiết kế, công tác thi công đường hầm nhằm giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi sóng nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận Những điểm luận án: Kết luận án đạt điểm sau đây: (1) Thực thí nghiệm động SHPB mô số để xác định thông số động khối đá, vỏ chống; tìm mối quan hệ ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng theo thời gian kết cấu chống giữ tác dụng tải trọng động giống áp lực nổ mìn thực tế; (2) Xây dựng công thức kinh nghiệm xác định giá trị PPV lượng thuốc nổ nạp lớn nổ mìn thi công đường hầm; mối quan hệ RMR khối đá, mức độ chấn động đến vỏ chống bê tông đường hầm lân cận hầm Croix-Rousse; xây dựng công thức thực nghiệm xác định giá trị PPV phụ thuộc vào RMR; (3) Xây dựng, kiểm chứng mơ hình số hai chiều 2D, ba chiều 3D; khảo sát thơng số mơ hình tìm giá trị hệ số giảm chấn phù hợp 5,0 %; xác định giá trị PPV tỉ lệ nghịch với hệ số giảm chấn khối đá; xác định chiều dài mơ hình hợp lý; vùng phá hủy vỏ chống đường hầm cũ; tìm cơng thức thực nghiệm dự báo giá trị PPV cho vị trí vỏ chống đường hầm cũ; đề xuất phương pháp xem xét mức độ chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm đến trạng thái khối đá kết cấu chống giữ bê tông đường hầm cũ lân cận Cấu trúc luận án: Luận án có kết cấu gồm chương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm đến kết cấu chống cơng trình ngầm lân cận; Chương 2: Lý thuyết truyền sóng môi trường đất đá phương pháp xác định ảnh hưởng sóng nổ mìn lên kết cấu đường hầm lân cận; Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận phương pháp đo đạc trường; Chương 4: Nghiên cứu thông số động khối đá vỏ chống; Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn thi cơng đường hầm phương pháp khoan nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận phương pháp số; Bố cục luận án: Ngoài phần mở đầu luận án, luận án trình bầy chương 03 Phụ lục, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo, cơng trình công bố, danh sách tài liệu tham khảo với nội dung trình bầy 147 trang đánh máy khổ A4 gồm 135 hình vẽ, 34 bảng Các kết luận án cơng bố 24 báo tạp chí nước, quốc tế kỷ yếu hội nghị quốc tế nước, có 01 báo thuộc danh mục ISI nhiều đăng tải trang DOI uy tín CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN ĐẾN CÁC CƠNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN 1.1.Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu cơng trình ngầm lân cận thông số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn 1.2.Đánh giá chung tình hình nghiên cứu nước ngồi nước hướng nghiên cứu luận án Từ kết nghiên cứu đây, rút số nhận xét sau: ➢ Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp nghiên cứu mơ hình vật lý tương đương khó sử dụng nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn Phương pháp mơ hình số phương pháp đo đạc trường sử dụng phổ biến cho kết tin cậy Do đó, luận án chọn sử dụng kết hợp hai phương pháp để nghiên cứu ➢ Việc nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận đào đường hầm phương pháp khoan nổ mìn Việt Nam chưa ý nhiều có nhiều dự án hầm lớn Việt Nam cần đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn ➢ Các nghiên cứu chủ yếu ý xem xét ảnh hưởng đường hầm quân (công sự) đặt mặt đất gần mặt đất Tải trọng đề cập chủ yếu áp lực nổ bom đạn mặt đất bom đạn nổ mơi trường đất đá gần đường hầm kích nổ lần Các nghiên cứu công trình ngầm dân dụng chưa ý ➢ Việc nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính khơng đồng mơi trường đất đá, đặc tính áp lực nổ mìn, phương pháp mơ áp lực nổ, khoảng cách hai đường hầm, loại liên kết đất đá kết cấu chống giữ đến kết mơ hình ý Đa số khảo sát mơ hình số thực thơng qua mơ hình số hai chiều 2D, với với toán đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn với mơ hình 2D khơng thể hết phần lượng bị hấp thụ Vì vậy, mơ hình 3D nên nghiên cứu sử dụng cho phù hợp với điều kiện thực tế; ➢ Trong thời gian qua, số tác giả phát triển mơ hình chiều 3D phương pháp khác (phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử rời rạc, ) Tuy vậy, kết hầu hết dừng lại việc xem xét ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến phần vỏ chống bê tơng liền khối đường hầm lân cận phạm vi mặt cắt ngang trùng với mặt cắt qua gương đường hầm mới; ➢ Các kết nghiên cứu đến dừng lại việc đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến phần vỏ chống đường hầm lận cận nằm mặt phẳng với gương đường hầm (chủ yếu mơ mơ hình số 2D) Việc đánh giá mức độ chấn động miền vỏ chống bê tơng phía trước, phía sau mặt phẳng chứa gương đường hầm (dọc trục hầm) chưa ý phức tạp mơ hình 3D thời gian chạy mơ hình 1.5 Những vấn đề tập trung nghiên cứu luận án Trên sở kết nghiên cứu Chương 1, hướng nghiên cứu luận án nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến vỏ chống bê tông đường hầm cũ lân cận đào đường hầm phương pháp khoan nổ mìn theo hướng dọc trục đường hầm Hình 1.1 với sơ đồ nghiên cứu luận án thể Hình 1.2.` Hình 1.1 Ảnh hưởng chấn động nổ mìn đào hầm đến cơng trình lân cận Hình 1.2 Sơ đồ thể bước nghiên cứu luận án Các bước nghiên cứu gồm: ➢ Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến kết cấu đường hầm lân cận phương pháp đo đạc trường dự án đường hầm Croix-Rousse, Lyon: ➢ Nghiên cứu thông số động học khối đá vỏ chống thơng qua thí nghiệm động học SHPB mẫu đá để xác định làm liệu đầu vào cho mơ hình số; ➢ Xây dựng, kiểm chứng khảo sát thơng số mơ hình số thơng qua mơ hình hai chiều (2D ) ba chiều (3D) theo trình tự sau đây: Xây dựng, kiểm tra kích thước lưới, kiểm chứng độ hội tụ mơ hình số hai chiều 2D ba chiều 3D phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Abaqus Khảo sát ảnh hưởng tính chất lý khối đá vỏ chống (bao gồm thông số chủ yếu mô đun đàn hồi động, hệ số giảm chấn, mơ hình phá hủy vật liệu ) đến kết mơ hình; Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách vị trí đường hầm (thay đổi khoảng cách đường hầm) để tìm giá trị khoảng cách tối thiểu cho phép nhằm đảm bảo an toàn cho vỏ chống cố định đường hầm cũ; ảnh hưởng mơ hình áp lực nổ; ➢ Sử dụng số phá hủy nổ mìn “BDI” để dự báo mức độ phá hủy khối đá kết cấu đường hầm lân cận thơng qua việc sử dụng kết mơ hình số xây dựng kiểm chứng 1.6 Kết luận Chương Trong Chương tiến hành nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu nước giới ảnh hưởng chấn động gây nổ mìn thi cơng đường hầm đến kết cấu chống giữ đường hầm lân cận Trong đó, đặc biệt nhấn mạnh vai trị quan trọng phương pháp đo thực nghiệm trường phương pháp nghiên cứu số cho q trình nghiên cứu tốn Nội dung Chương đưa nhận xét tình hình nghiên cứu nước nước hướng nghiên cứu, điểm tồn vấn đề nghiên cứu, sở đề xuất vấn đề nghiên cứu luận án CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN SĨNG TRONG MƠI TRƯỜNG ĐẤT ĐÁ VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG NỔ LÊN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM LÂN CẬN 2.1 Các loại sóng chấn động gây nổ mìn đào hầm đặc tính chúng Khi nổ mìn đào hầm, áp suất lớn vị trí nổ tạo sóng xung kích bề mặt phân cách mơi trường lượng nổ Sự lan truyền sóng xung kích gắn liền với tổn thất lượng, thực tế, lượng nổ thông thường người ta thấy vùng lan truyền sóng xung kích xảy phạm vi (57) lần bán kính vùng nổ [5] Trong phạm vi ngồi sóng xung kính sóng nén, sóng nén nhiễu động khơng đàn hồi mơi trường, tham số biến thiên cách từ từ, tốc độ lan truyền sóng tốc độ âm môi trường nghiên cứu 2.2 Kết luận Chương Khi nổ mìn đào đường hầm, sóng nổ gây phá hủy vỏ chống khối đá xung quanh sóng xung kích sóng nén Hai loại sóng nguyên nhân sinh ứng suất kéo vỏ chống nguyên gây phá hủy vỏ chống Có nhiều phương pháp tính tốn, mơ áp lực nổ mìn tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn Việc lựa chọn mơ hình áp lực nổ ảnh hưởng trực tiếp đến kết mơ hình Việc lựa chọn mơ hình mơ dưạ yếu tố khác liệu đầu vào, kết đo đạc thực tế dựa việc có sẵn mơ-đun phần mềm chuyên dụng Do việc lựa chọn phương pháp mô áp lực nổ chọn: Khi có kết đo đạc chuẩn xác, việc mơ áp lực nổ sử dụng cơng thức (2.37)(2.39), (2.42) Khi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đào đường hầm, thuốc nổ gương đường hầm chia thành nhiều đợt nổ Trong trường hợp thuốc nổ gương đường hầm nổ thành nhiều đợt khác (thời gian vi sai lớn ms) nên chọn mơ hình áp lực nổ theo công thức (2.42) (Wang, 1984) [67] Công thức cho phép biểu diễn áp lực theo số đợt nổ gương Trong phần sau luận án tác giả sử dụng công thức để mô áp lực nổ mìn CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN ĐẾN KẾT CẤU ĐƯỜNG HẦM LÂN CẬN THI CƠNG ĐƯỜNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN NỔ MÌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC HIỆN TRƯỜNG 3.1 Các phương pháp đánh giá ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến cơng trình lân cận Trên giới để đánh giá chấn động nổ mìn tiến hành theo số phương pháp sau: ❖ Phương pháp 1- Giới hạn tiêu chuẩn PPV: yêu cầu vụ nổ giám sát thiết bị đo chấn động có khả giám sát PPV, theo PPV nằm mức quy định; ❖ Phương pháp - Tiêu chuẩn tỉ lệ khoảng cách, đòi hỏi nhà thầu thiết kế vụ nổ với tỉ lệ khoảng cách Với phương pháp khơng cần phải sử dụng thiết bị giám sát ❖ Phương pháp 3-Tiêu chuẩn đồ thị mức độ chấn động nổ mìn Nhìn chung ba phương pháp nêu bao quát vấn đề đánh giá, tiêu chuẩn nêu áp dụng cho hầu hết hạng mục cơng trình 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn đến vỏ chống cố định đường hầm lân cận đào hầm phương pháp khoan nổ thông qua phương pháp đo đạc 3.2.1 Khảo sát mối quan hệ PPV tỉ lệ khoảng cách Trên sở liệu đo thu từ cảm biến đặt vỏ chống bê tông cũ đường hầm Croix-Rousse, Lyon, Pháp, việc khảo sát mối quan hệ PPV tỉ lệ khoảng cách (𝑆𝐷 = 𝐷/√𝑄) luận án đưa biểu đồ tương quan Hình 3.1 đến Hình 3.6 Hình 3.1 Quan hệ ln(PPV2) tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm biến A) Hình 3.2 Quan hệ ln(PPV1) tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm biến P đoạn PM 220÷PM340) Hình 3.3 Quan hệ ln(PPV2) tỉ lệ Hình 3.4 Quan hệ ln(PPV3) tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm biến P vị trí PM khoảng cách (D/ √𝑄) (cảm biến P vị trí 220÷PM340) PM 220÷PM340) Hình 3.5 Quan hệ ln(PPV) theo ba Hình 3.6 Quan hệ ln(PPV) theo ba phương phương tỉ lệ khoảng cách (D/√𝑄) (cảm (V, H, L) tỉ lệ khoảng cách (D /√𝑄 ) (cảm biến P vị trí PM 220÷PM340) biến T vị trí PM1400) [15] Dựa biểu đồ ta tính hệ số K α, từ đưa cơng thức dự báo giá trị PPV cho hầm Croix-Rousse: + PPV theo phương thẳng đứng: ( PPV = 19,4 D/ Q ) −1,82 + PPV theo phương dọc trục: ( PPV = 1,93 D/ Q ) −1.56 + PPV tổng hợp cảm biến T1400: 12 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CỦA KHỐI ĐÁ VÀ VỎ CHỐNG 4.1 Cơ sở lý thuyết thí nghiệm động Split Hopkinson Pressure Bar Test (SHPB) 4.1.1 Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm SHPB sử dụng để xác định tính chất học mẫu đá, xây dựng quy luật ứng xử mẫu tải trọng động, phá hủy mẫu đá/vỏ chống gần giống với phá hủy khối đá/vỏ chống áp lực nổ mìn Thí nghiệm thực Phịng thí nghiệm Viện Nghiên cứu Ứng dụng quốc gia Pháp (INSA Lyon) 4.1.2 Cấu tạo thiết bị thí nghiệm Hệ thống SHPB có cấu tạo Hình 4.1, tín hiệu thu nhờ cảm biến đặt tới thí nghiệm khơng mẫu để xác định đặc tính động Hình 4.2 4.1.3 Thiết bị tải trọng Hình 4.1 Hệ thống thí nghiệm SHPB Hình 4.2 Tín hiệu tới 4.5 Tính tốn đặc tính động học Với thí nghiệm khơng mẫu cho phép xác định mô đun đàn hồi động tới: 2 −6 CB=5128 m/s, E d = ρC B = 2,81.5128 10 = 73,89 ; GPa 4.6 Thí nghiệm SHBP mẫu đá granit Thí nghiệm tiến hành mẫu N°38 với áp lực tăng tương ứng từ 0,10 ÷ 0,35 MPa Kết mẫu N°38 bị phá hủy áp lực lên đánh đạt 0,35 MPa 4.6.1 Thí nghiệm SHBP mẫu N°38 với áp lực lên đánh 0,30 MPa Mỗi cảm biến thu khoảng 60.000 tín hiệu khác thí nghiệm Hình 4.3 thể tín hiệu dạng điện áp đo cảm biến Theo kết Hình 4.3, thời gian đánh chuyển động qua hai cảm biến ∆t=3,26 ms Khoảng cách hai cảm biến S=50,0 mm nên vận tốc đánh tính theo cơng thức [53]: Vst=S /∆t=0,05/(3,26.10-3)=15,34 m/s.Dựa kết thí nghiệm, tính tốn mơ đun đàn hồi động mẫu N°38: 𝐸𝑑 = (𝜌𝐶𝑆20 ) = (2351,8 × 13252 ) = 4,129𝐺𝑃𝑎 Biến dạng tới thể Hình 4.5 13 Hình 4.3 Tín hiệu cảm biến vận tốc [53] Hình 4.4 Biến dạng tới (cảm biến 5) truyền (cảm biến 7) theo thời gian 4.6.2 Thí nghiệm SHPB mẫu N°38 với áp lực lên đánh 0,35 MPa Tại áp lực lên đánh 0,35 MPa, mẫu bị phá hủy Vận tốc tới thể Hình 4.5 Kết ứng suất lớn tới khoảng 144,0 MPa Tốc độ biến dạng mẫu với hai giá trị áp lực tác dụng lên đánh 0,3 MPa 0,35 MPa Hình 4.6 Hình 4.5 Biểu đồ vận tốc tới Hình 4.6 Tốc độ biến dạng theo thời gian mẫu đá với áp lực tác dụng lên đánh khác 4.4 Phát triển mô hình số ba chiều 3D mơ thí nghiệm SHPB Việc mơ hình số thí nghiệm SHPB cho phép mơ thí nghiệm loại đá khác dựa kết thí nghiệm 4.4.1 Kích thước mơ hình mơ Hình dạng kích thước mẫu mơ hình thể Hình 4.7, kích thước đặc tính vật liệu thể Bảng 4.2 Hình 4.7 Kích thước mơ hình thí nghiệm SHPB 4.4.2 Mơ hình áp lực nên chuyển động, loại phần tử mơ hình tiếp xúc 14 Áp lực tác dụng lên đánh có biên độ phụ thuộc vào vận tốc chuyển động đánh, vật liệu Áp lực phụ thuộc vào thời gian có dạng hình Hình 4.8 Pmax = Pstr f(t) ; Ptr = ρ Sb C Vst Trong đó: ρ- Mật độ đánh; kg/m3, Sb- Diện tích mặt cắt ngang đánh; m2, C-Vận tốc truyền đánh; m/s, Vst - Vận tốc chuyển động Hình 4.8 Mơ hình áp lực tác dụng đánh; m/s, giá trị thời gian tA = 99µs, tB =101 µs, tC = lên tới 200µs, T = 200 µs 4.4.3 Các trường hợp nghiên cứu Trường hợp 1: mơ hình phá hủy mẫu mơ hình đàn hồi với thông số học cho mẫu đá = 2451kg/m3; E=26,5MPa; hệ số Poatxông = 0,3; mơ hình tiến hành với nhiều trường hợp cách thay đổi kích thước lưới Việc so sánh kết trường hợp cho phép chọn kích thước lưới phù hợp cho mơ hình cho trường hợp khác; Trường hợp 2: sử dụng mô hình phá hủy đàn-dẻo cho mẫu đá với ứng suất mẫu 117,312 MPa (lấy trung bình ứng suất mẫu đá granit 94% ứng suất đá granit thí nghiệm tĩnh); Trường hợp 3: sử dụng mơ hình phá hủy Mohr-Coulomb cho mẫu đá, thơng số cho mẫu đá gồm: =53,990; góc dãn nở: =40; Lực dính kết C=23,07596MPa 4.4.5 Nhận xét: Giá trị ứng suất lớn thay đổi theo mơ hình giá trị ứng suất lớn mơ hình đàn hổi dẻo lớn mơ hình phá hủy Mohr-Coulomb So sánh kết mơ hình số với kết thí nghiệm có khác đáng kể Lý cho khác khác mơ hình áp lực mơ hình áp lực tác dụng lên tới thực tế Một lý khác mơ hình số, điều kiện biên chuyển vị thành truyền giả thiết thực tế khơng hồn tồn 4.4.6 Kết mơ hình Hình 4.9 Ứng suất làm việc mẫu mẫu trường hợp 15 4.5 Kết luận Chương 4: Thí nghiệm SHPB thí nghiệm chưa thực Việt Nam, thí nghiệm NCS thực phịng thí nghiệm thuộc INSA Lyon, Cộng Hịa Pháp Kết thí nghiệm kiểm chứng với kết trước nên có độ tin cậy Qua thí nghiệm SHBP cho thấy làm việc đá tác động áp lực động (áp lực nổ mìn): quan hệ ứng suất biến dạng, thay đổi biến dạng theo thời gian Các kết thí nghiệm cho phép xác định thông số động khối đá sử dụng làm kết đầu vào mơ hình số phần luận án Phần mơ hình số 3D đạt kết bước đầu kiểm chứng hội tụ lưới, sau so sánh với kết thí nghiệm sử dụng để nghiên cứu thông số mẫu, tiếp xúc mẫu đến kết thí nghiệm điều kiện tương tự CHƯƠNG 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 5.1 Đặt vấn đề 5.2 Xây dựng mơ hình số khảo sát ảnh hưởng chấn động nổ mìn Luận án chọn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mơ hình số phần mềm Abaqus Kích thước mơ hình số 2D, 3D Hình 5.1 Hình 5.2 Hình 5.1 Kích thước mơ hình 2D [54÷57] Hình 5.2 Kích thước mơ hình 3D [57], [59] Trong hình vẽ: 1- Vùng phần tử vơ hạn; 2- Biên mơ hình hai miền phần tử vô hạn hữu hạn; 3-Biên vùng phần tử vô hạn; L0- Chiều dài phần tử vô hạn; B0- Chiều rộng mơ hình; H0- Chiều cao mơ hình 5.2.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp 5.2.5 Mô hình vật liệu Khối đá xung quanh đường hầm Croix-Rousse đào qua gồm đá granit gơnai Trong mơ hình, khối đá giả định vật liệu đàn hồi-dẻo với trình tăng ứng suất-biến dạng tuân theo mơ hình Mohr-Coulomb Vỏ chống bê tơng đường hầm mơ sử dụng mơ hình phá hủy dẻo có sẵn phần mềm Abaqus Các thông số động khối đá bê tông, quy 16 luật ứng xử vật liệu sử dụng cho mơ hình xác định từ thí nghiệm động học SHPB tiến hành Chương 5.3 Kiểm tra kích thước lưới kiểm chứng mơ hình số 5.3.1 Mơ hình áp lực nổ mìn 5.3.2 Lựa chọn phần tử sử dụng cho mơ hình 5.3.3 Kiểm tra kích thước lưới mơ hình Kích thước lưới mơ hình kiểm tra cách sử dụng phương pháp so sánh vận tốc sóng Rayleigh đặt phương pháp giải tích (theo cơng thức Bergmann-Viktorov (E.G Nesvijski, 2000)) [76] kết mô hình số với kích thước lưới 0,5m Giá trị sai khác theo hai phương pháp 2,71% nên kích thước lưới xem phù hợp, đảm bảo độ hội tụ mơ hình Ngồi ra, kích thước lưới kiểm tra theo điều kiện quan hệ bước sóng kích thước phần tử (cơng thức Lysmer Kuhlemeyer, 1969 [38]) Phạm vi tần số thơng thường chấn động gây nổ mìn cho cơng trình ngầm dao động khoảng (50,0÷100,0) Hz theo (Dowing, 1996 Yang n.n.k, 2003) [38] Với kiểm chứng cho thấy kích thước phần tử chọn hoàn toàn thỏa mãn với điều kiện hội tụ mơ hình số 5.3.4 Kiểm chứng mơ hình số Để kiểm chứng mơ hình, tác giả tiến hành so sánh giá trị PPV đạt mô hình số với liệu đo đạc thực tế vỏ chống bê tông hầm cũ thuộc dự án hầm CroixRousse, Lyon, Pháp vị trí tương đồng Điểm quan sát gồm điểm quan sát A mô hình trùng với vị trí cảm biến A ngồi thực địa; điểm B trùng với vị trí cảm biến P; điểm C Hình 5.3 Các điểm quan sát trùng với vị trí cảm biến T Hình 5.3 Kết cho thấy, sai số trung bình hai phương pháp 14,73 % khơng lớn chấp nhận nên mơ hình số xây dựng có độ tin cậy 5.3.5 Nhận xét chung Với việc sử dụng biên loại không phản xạ (Non-Reflecting Boundary Condition) nhờ việc sử dụng loại phần tử vơ hạn (Infinite Element) cải thiện kết mơ hình số tốn truyền sóng Kích thước lưới độ hội tụ mơ hình số chiều (2D) chiều (3D) xây dựng luận án kiểm chứng đảm bảo độ xác cho kết nghiên cứu 17 5.4 Khảo sát thông số mơ hình số 5.4.1 Khảo sát ảnh hưởng tính chất lý khối đá vỏ chống a Khảo sát ảnh hưởng hệ số giảm chấn “” đến PPV Việc khảo sát ảnh hưởng hệ số giảm chấn thực cách thay đổi giá trị hệ số giảm chấn tương ứng với bốn trường hợp: =3,0 %; =4,0 %; =5,0 %; =6,0 % cho đá, vỏ chống bê tông =4,0 % Theo kết Hình 5.4, Hình 5.5, Hình 5.6 sau so sánh giá trị PPV đạt mơ hình số kết đạt phương pháp đo đạc thực tế “DLD” cho thấy: giá trị hệ số giảm chấn =5,0% sai khác hai phương pháp đạt giá trị nhỏ (sự sai khác trung bình tb=16,09 %) Do vậy, giá trị cho khối đá =5,0 % xem phù hợp chọn để sử dụng cho bước tính tốn mơ hình khảo sát b) a) Hình 5.4.Ảnh hưởng hệ số giảm chấn “” đến giá trị PPV điểm B [54]: a - PPV theo phương thẳng đứng; b - PPV theo phương nằm ngang Hình 5.5 Ảnh hưởng hệ số giảm chấn “” Hình 5.6 Sơ đồ lựa chọn hệ số giảm chấn đến giá trị PPV điểm B [14], [54], [56] “” cho mơ hình số [14], [57], [54] b Khảo sát ảnh hưởng mô đun đàn hồi động “Ed” đến PPV Chúng tiến hành thay đổi giá trị “Ed” khoảng Ed=30,0÷70,0 GPa với biên độ thay đổi 10,0 GPa Kết ảnh hưởng mô đun đàn hồi động “Ed” khối đá đến giá trị PPV vỏ chống bê tông liền khối thể Hình 5.7, Hình 5.8 18 Hình 5.7 Quan hệ “Ed” PPV1 điểm Hình Quan hệ “Ed” PPV2 điểm B [54] Kết nghiên cứu cho thấy: giá trị PPV vỏ chống bê tông cố định đường hầm cũ tỉ lệ nghịch với mô đun đàn hồi động khối đá xung quanh đường hầm; giá trị PPV đạt phương pháp khảo sát mơ hình số mơ đun đàn hồi động Ed=60,0 GPa có kết tương đối giống với giá trị đạt phương pháp đo đạc thực tế (sự sai khác trung bình hai phương pháp tb=16,09 %) Do đó, giá trị mơ đun đàn hồi động Ed=60,0 GPa đạt từ thí nghiệm SHPB đủ độ tin cậy sử dụng cho nghiên cứu c Khảo sát ảnh hưởng mơ hình phá hủy vật liệu Hai mơ hình phá hủy vật liệu lựa chọn cho khối đá để khảo sat gồm: mơ hình đàn hồi tuyến tính mơ hình Mohr-Coulomb Các giá trị PPV (mm/s) đạt với hai mơ hình phá hủy vật liệu khác lựa chọn theo phương pháp đo đạc trường thể Hình 5.9, Hình 5.10 Kết cho thấy có phù hợp giá trị PPV đạt mơ hình số với mơ hình phá hủy khối đá Mohr-Coulomb liệu đo đạc trường Ngược lại, giá trị PPV đạt sử dụng mơ hình đàn hồi tuyến tính cao khoảng 50,0 % so với liệu đo đạc trường Hình 5.10 Hình 5.9 Tổng hợp ảnh hưởng mơ Hình 5.10 Ảnh hưởng mơ hình phá hủy đun đàn hồi động “Ed” đến giá trị PPV vật liệu đến PPV vỏ chống bê tông [56] Đây sở quan trọng để đưa nhận định: mô hình đàn hồi tuyến tính khơng đủ phức tạp khơng đủ khả sử dụng tốn động nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn Do đó, mơ hình phá hủy Mohr-Coulomb chọn để sử dụng toàn luận án 19 5.4.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều dài mơ hình số Nghiên cứu tiến hành khảo sát mơ hình 3D với chiều dài khác (L1 3xDN = 28,0 m; L24xDN = 42,0 m; L38xDN = 84,0 m với DN chiều rộng đào hầm mới) Sự ảnh hưởng chiều dài mơ hình 3D đến giá trị PPV1 (PPV theo phương thẳng đứng), PPV2 (PPV theo phương nằm ngang), theo ba phương quan sát Hình 5.12 Hình 5.13, Hình 5.14 Hình 5.11 Mơ hình khảo sát ảnh hưởng chiều dài mơ hình 3D [16] Hình 5.12 So sánh giá trị (PPV1) điểm B Hình 5.13 So sánh giá trị (PPV2) điểm B Hình 5.14 So sánh biên độ PPV Hình 5.15 Ảnh hưởng khoảng cách điểm B hai đường hầm đến giá trị PPV [17] Kết so sánh giá trị quy luật biến đổi PPV ba mơ hình với chiều dài khác (Hình 5.12, Hình 5.13, Hình 5.14) cho thấy: dạng biểu đồ điểm đạt giá trị PPV lớn (peak) giống Sự thay đổi giá trị PPV với mơ hình 3D có tiêu hao phần lượng nổ khối đá vỏ chống mơ hình có dạng khối; đó, mơ hình số có chiều dài lớn lượng bị hấp thụ nhiều dẫn đến giá trị PPV nhỏ Ngoài ra, kết chiều dài mơ hình thay đổi khoảng 42,084,0 m giá trị PPV vỏ 20 chống bê tơng khơng thay đổi Vì vậy, kết luận: chiều dài 42,0 m (bằng khoảng 4.DN) coi đủ độ xác cần thiết để loại bỏ ảnh hưởng điều kiện biên (chiều dài mơ hình) đến kết khảo sát mơ hình số 5.4.3 Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách hai đường hầm Cùng với lượng thuốc nổ “Q” giữ không đổi, việc thay đổi khoảng cách hai đường hầm cho thấy ảnh hưởng chúng tới giá trị PPV Mục đích khảo sát giúp tìm giá trị khoảng cách ngắn đảm bảo an toàn cho kết cấu chống đường hầm cũ Kết khảo sát (Hình 5.15) cho thấy khoảng cách hai đường hầm 32,50 m vỏ chống đường hầm cũ đảm bảo an toàn 5.4.4 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 theo trục đường hầm Việc nghiên cứu thực theo sơ đồ Hình 5.16 Hình 5.16 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn gương hầm đến vỏ chống bê tông đường hầm cũ lân cận theo phương dọc trục hầm [56] Từ kết so sánh hai phương pháp: phương pháp số (thông qua mơ hình số 2D 3D) phương pháp đo đạc thực tế trường Hình 5.17 cho phép rút số nhận xét sau: ➢ Các giá trị PPV đạt mơ hình số phù hợp với kết đo đạc thực nghiệm; ➢ Giá trị PPV tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ gương đường hầm đến điểm quan sát vỏ chống theo phương dọc trục đường hầm cũ; ➢ Khi điểm quan sát nằm mặt phẳng trùng với mặt phẳng gương thi cơng đường hầm PPV đạt giá trị lớn Hình 5.17 Kết khảo sát ảnh hưởng khoảng cách H đến giá trị PPV [56] vỏ chống đường hầm cũ 21 Hình 5.18 Sự xuất vùng phá hủy vỏ chống bê tông hầm cũ lân cận t = 0,00332 s: a - Vị trí hai đường hẩm; b - Ví trí tường bên đối diện với gương hầm; c - Ví trí tường bên khơng đối diện với gương hầm [56] 5.4.5 Đánh giá độ ổn định vỏ chống bê tông đường hầm cũ lân cận Để đánh giá trạng thái phá hủy vỏ chống đường hầm ảnh hưởng chấn động nổ mìn, thông thường hai tiêu chuẩn chọn sử dụng sau: (1) giới hạn PPV (2) độ bền kéo vỏ chống Trong nghiên cứu này, giá trị PPV lớn đo cảm biến 15,53 mm/s, nhỏ giới hạn đề cập Ngoài ra, giá trị độ bền kéo vỏ chống chấn động nổ mìn tạo khoảng 2,69 MPa