Nghiên cứu ảnh hưởng chấn động nổ mìn khi thi công hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận - Luận án tiến sĩ

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 CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI– 2018 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 CÔNG ĐƯỜNG HẦM ĐẾN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN Ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình ngầm Mã số: 9580204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Võ Trọng Hùng Hà Nội - 2018 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật i MỤC LỤC Nội dung Trang Mục lục i Lời cam đoan iv Lời cảm ơn v Danh mục các chữ viết tắt vi Danh mục các bảng vii Danh mục các hình vẽ ix Mở đầu xv Chương 1. Tổng quan về ảnh hưởng của chấn động nổ mìn thi công 1 đường hầm đến kết cấu chống các đường hầm lân cận 1. Tổng quan và định hướng nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ 1 mìn khi đào hầm đến công trình ngầm lân cận 1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến 5 công trình ngầm lân cận trên thế giới 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến 9 công trình ngầm lân cận tại Việt Nam 1. Đánh giá chung về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 14 về hướng nghiên cứu của luận án 1. Những vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án 16 1.

Kết luận Chương 1 18 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 19 hầm lân cận 2. Tổng quan về các loại sóng chấn động gây ra do nổ mìn đào đường 19 hầm và đặc tính của chúng 2. Phương trình truyền sóng nổ trong môi trường đất đá đàn hồi, đồng 24 nhất và đẳng hướng Luận án tiến sĩ Kĩ thuật ii 2.

Đặc tính tải trọng sinh ra do sóng nổ và đặc điểm làm việc của kết 28 cấu đường hầm dưới tác dụng của sóng nổ 2. Các phương pháp mô phỏng áp lực nổ khi nổ mìn tại gương hầm 31 2. Các thông số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 39 2. Kết luận Chương 2 40 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 42 lân cận thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường 3. Tổng quan về sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn tới môi trường 42 3. Nghiên cứu đo PPV, biến dạng khi thi công đường hầm Croix-Rousse 44 3. Các phương pháp đánh giá chấn động nổ mìn đến công trình lân cận 49 3.

Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường 56 hầm lân cận khi nổ mìn tại gương hầm bằng phương pháp đo đạc thực tế 3. Khảo sát mối quan hệ giữa RMR của khối đá và các thông số K và 68 α trong công thức của Chapot 3. Kết luận Chương 3 79 Chương 4. Nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống 81 4.

Tổng quan về các thông số động của khối đá và vỏ chống 81 4. Phương pháp xác định các thông số động của khối đá và kết cấu chống 83 4. Xác định các thông số động của khối đá bằng thí nghiệm động SHPB 84 4. Kết quả thí nghiệm 90 4.

Tính toán đặc tính động học của các thanh 94 4. Thí nghiệm SHBP trên mẫu đá granit 95 4. Phát triển mô hình số ba chiều 3D mô phỏng thí nghiệm SHPB 104 4. Kết luận Chương 4 109 Chương 5.

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào 110 hầm đến kết cấu chống đường hầm lân cận bằng phương pháp số 5. Tổng quan 110 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iii 5. Xây dựng mô hình số hai chiều 2D, mô hình ba chiều 3D khảo sát 111 ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 5. Kiểm tra kích thước lưới và kiểm chứng mô hình số 116 5.

Khảo sát các thông số mô hình 123 5. Khảo sát sự ảnh hưởng của khoảng cách từ gương đường hầm đến vị trí quan sát trong vỏ chống cố định của đường hầm cũ lân cận dọc 136 theo trục đường hầm 5. Đánh giá độ ổn định của vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận 139 5. Đánh giá độ ổn định của khối đá xung quanh đường hầm 141 5.

Xây dựng công thức kinh nghiệm dự báo giá trị PPV trong vỏ chống 142 bê tông cố định của đường hầm cũ lân cận 5. Kết luận Chương 5 143 Kết luận và kiến nghị của luận án 144 Danh mục các công trình khoa học của tác giả 148 Tài liệu tham khảo 152 Phụ lục 163 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2018 Tác giả luận án Đặng Văn Kiên Luận án tiến sĩ Kĩ thuật v LỜI CẢM ƠN Chúng tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên Bộ môn Xây dựng Công trình ngầm và 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, các giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Đại học Mỏ-Địa chất đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận án với luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận”.

Chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. Võ Trọng Hùng - Người Thày đã dành nhiều tâm huyết trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận án này. Chúng tôi cũng xin cảm ơn TS.

Đỗ Ngọc Anh đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thiện phần nội dung nghiên cứu mô hình số. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên tôi trong thời gian thực hiện luận án. Xin cảm ơn Nguyễn Thị Phương, Đặng Gia Bảo, Đặng Gia Hân đã luôn bên tôi động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 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 của Abaqus (Complete Abaqus Evironment) DAM - Chuyển vị của 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 không 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 và phần tử rời rạc (Finite-Discrete Element Method) IE - Phần tử loại vô hạn (Infinite Element) 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 nhất (Peak Particle Acceleration) SF - Tần số dao động riêng của kết cấu (Specific Frequency) SHPB - Thí nghiệm động (Split Hopkinson Pressure Bar test) Luận án tiến sĩ Kĩ thuật vii DANH MỤC CÁC BẢNG Nội dung Trang Bảng 2.

Các thông số trong phương trình trạng thái của thuốc nổ TNT 38 Bảng 3. Trình tự nổ và số lượng các lỗ mìn trên gương 46 Bảng 3. Giá trị giới hạn của PPV với tỉ lệ khoảng cách tiêu chuẩn 50 Bảng 3. Tiêu chuẩn PPV theo AS 2187 (Tiêu chuẩn Úc) 51 Bảng 3.

Tiêu chuẩn DIN 4150-3 (CHLB Đức) 52 Bảng 3. Tiêu chuẩn của Pháp 52 Bảng 3. Tiêu chuẩn của Thụy sĩ đánh giá mức độ chấn động của chấn 52 động nổ mìn đến các công trình lân cận (SN 640 312:1978) Bảng 3. Tiêu chuẩn GB 6722-2003 của Trung Quốc về mức độ an 53 toàn của kết cấu công trình ngầm trên cơ sở giá trị cho phép của [PPV] Bảng 3.

Tiêu chuẩn Đức về mức độ an toàn của kết cấu công trình 53 ngầm trên cơ sở giá trị của [PPV] (DIN4150 1999-02) Bảng 3. Hệ số tỉ lệ khoảng cách và [PPV] theo quy phạm 53 Bảng 3. Mối quan hệ giữa Dib và mức độ phá hủy trong khối đá bao 56 quanh và kết cấu chống giữ đường hầm (vỏ chống bê tông cũ) Bảng 3. Kết quả đo chấn động gây ra bởi quá trình nổ mìn đường 64 hầm bởi cảm biến P với dải tần số thấp (f=130 Hz) Bảng 3.

Thông số cơ học của khối đá khảo sát 66 Bảng 3. Kết quả tính toán giá trị [PPV], mm/s 66 Bảng 3. Dự báo lượng thuốc lớn nhất cho một lần nổ, kg 67 Bảng 3. Vị trí của các khu vực nghiên cứu trong đường hầm 70 Bảng 3.

Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với H>0 71 Bảng 3. Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với H<0 72 Bảng 3. Quan hệ giữa Ln(K),  và RMR của cảm biến P với 0<H<45 m 73 Bảng 3. Quan hệ giữa Ln(K), K, α và giá trị RMR của cảm biến T 75 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật viii Bảng 3.

Quan hệ giữa Ln(K), K, α với RMR của cảm biến T khi H>0 75 Bảng 3. Quan hệ giữa Ln(K), α và RMR của cảm biến T với H<0 75 Bảng 4. Tổng hợp kích thước và các thông số cơ học của mẫu đá 92 Bảng 4. Các đặc tính cấu tạo của các thanh trong thí nghiệm SHPB 93 Bảng 4.

Các mẫu đã tiến hành thí nghiệm 93 Bảng 4. Kết quả thí nghiệm trên mẫu N°38 95 Bảng 4. Số lượng phần tử cho mô hình nghiên cứu 108 Bảng 5. Các thông số động của khối đá, vỏ chống bê tông 115 Bảng 5.

So sánh kết quả mô hình số và dữ liệu đo tại điểm A 122 Bảng 5.