Luận án 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 CÔNG ĐƯỜNG HẦM 
ĐẾN KẾT CẤU CÔNG 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 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.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 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 
đường hầm đến kết cấu chống các đường hầm lân cận 
1 
1.1. Tổng quan và định hướng nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ 
mìn khi đào hầm đến công trình ngầm lân cận 
1 
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến 
công trình ngầm lân cận trên thế giới 
5 
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu chấn động nổ mìn do đào hầm đến 
công trình ngầm lân cận tại Việt Nam 
9 
1.4. Đánh giá chung về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 
về hướng nghiên cứu của luận án 
14 
1.5. Những vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án 16 
1.6. 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 
hầm lân cận 
19 
2.1. Tổng quan về các loại sóng chấn động gây ra do nổ mìn đào đường 
hầm và đặc tính của chúng 
19 
2.2. Phương trình truyền sóng nổ trong môi trường đất đá đàn hồi, đồng 
nhất và đẳng hướng 
24 
ii 
2.3. Đặc tính tải trọng sinh ra do sóng nổ và đặc điểm làm việc của kết 
cấu đường hầm dưới tác dụng của sóng nổ 
28 
2.4. Các phương pháp mô phỏng áp lực nổ khi nổ mìn tại gương hầm 31 
2.5. Các thông số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 39 
2.6. 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 
lân cận thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm hiện trường 
42 
3.1. Tổng quan về sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn tới môi trường 42 
3.2. Nghiên cứu đo PPV, biến dạng khi thi công đường hầm Croix-Rousse 44 
3.3. Các phương pháp đánh giá chấn động nổ mìn đến công trình lân cận 49 
3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu đường 
hầm lân cận khi nổ mìn tại gương hầm bằng phương pháp đo đạc thực tế 
56 
3.5. Khảo sát mối quan hệ giữa RMR của khối đá và các thông số K và 
α trong công thức của Chapot 
68 
3.6. Kết luận Chương 3 79 
Chương 4. Nghiên cứu các thông số động của khối đá và vỏ chống 81 
4.1. Tổng quan về các thông số động của khối đá và vỏ chống 81 
4.2. Phương pháp xác định các thông số động của khối đá và kết cấu chống 83 
4.3. Xác định các thông số động của khối đá bằng thí nghiệm động SHPB 84 
4.4. Kết quả thí nghiệm 90 
4.5. Tính toán đặc tính động học của các thanh 94 
4.6. Thí nghiệm SHBP trên mẫu đá granit 95 
4.7. Phát triển mô hình số ba chiều 3D mô phỏng thí nghiệm SHPB 104 
4.8. Kết luận Chương 4 109 
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 
110 
5.1. Tổng quan 110 
iii 
5.2. Xây dựng mô hình số hai chiều 2D, mô hình ba chiều 3D khảo sát 
ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 
111 
5.3. Kiểm tra kích thước lưới và kiểm chứng mô hình số 116 
5.4. Nhận xét 122 
5.5. Khảo sát các thông số mô hình 123 
5.6. 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 
theo trục đường hầm 
136 
5.7. Đánh giá độ ổn định của vỏ chống bê tông của đường hầm cũ lân cận 139 
5.8. Đánh giá độ ổn định của khối đá xung quanh đường hầm 141 
5.9. Xây dựng công thức kinh nghiệm dự báo giá trị PPV trong vỏ chống 
bê tông cố định của đường hầm cũ lân cận 
142 
5.10. 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 
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 
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.TS.NGND. 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. 
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.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) 
vii 
DANH MỤC CÁC BẢNG 
Nội dung Trang 
Bảng 2.1. Các thông số trong phương trình trạng thái của thuốc nổ TNT 38 
Bảng 3.1. Trình tự nổ và số lượng các lỗ mìn trên gương 46 
Bảng 3.2. Giá trị giới hạn của 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 của Pháp 52 
Bảng 3.6. Tiêu chuẩn của Thụy sĩ đánh giá mức độ chấn động của chấn 
động nổ mìn đến các công trình lân cận (SN 640 312:1978) 
52 
Bảng 3.7. Tiêu chuẩn GB 6722-2003 của Trung Quốc về mức độ an 
toàn của kết cấu công trình ngầm trên cơ sở giá trị cho phép của [PPV] 
53 
Bảng 3.8. Tiêu chuẩn Đức về mức độ an toàn của kết cấu công trình 
ngầm trên cơ sở giá trị của [PPV] (DIN4150 1999-02) 
53 
Bảng 3.9. Hệ số tỉ lệ khoảng cách và [PPV] theo quy phạm 53 
Bảng 3.10. Mối quan hệ giữa Dib và mức độ phá hủy trong khối đá bao 
quanh và kết cấu chống giữ đường hầm (vỏ chống bê tông cũ) 
56 
Bảng 3.11. Kết quả đo chấn động gây ra bởi quá trình nổ mìn đường 
hầm bởi cảm biến P với dải tần số thấp (f=130 Hz) 
64 
Bảng 3.12. Thông số cơ học của khối đá khảo sát 66 
Bảng 3.13. Kết quả tính toán giá trị [PPV], mm/s 66 
Bảng 3.14. Dự báo lượng thuốc lớn nhất cho một lần nổ, kg 67 
Bảng 3.15. Vị trí của các khu vực nghiên cứu trong đường hầm 70 
Bảng 3.16. Quan hệ giữa Ln(K), và RMR của cảm biến P với H>0 71 
Bảng 3.17. Quan hệ giữa Ln(K), và RMR của cảm biến P với H<0 72 
Bảng 3.18. Quan hệ giữa Ln(K), và RMR của cảm biến P với 0<H<45 m 73 
Bảng 3.19. Quan hệ giữa Ln(K), K, α và giá trị RMR của cảm biến T 75 
viii 
Bảng 3.20. Quan hệ giữa Ln(K), K, α với RMR của cảm biến T khi H>0 75 
Bảng 3.21. Quan hệ giữa Ln(K), α và RMR của cảm biến T với H<0 75 
Bảng 4.1. Tổng hợp kích thước và các thông số cơ học của mẫu đá 92 
Bảng 4.2. Các đặc tính cấu tạo của các thanh trong thí nghiệm SHPB 93 
Bảng 4.3. Các mẫu đã tiến hành thí nghiệm 93 
Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm trên mẫu N°38 95 
Bảng 4.5. Số lượng phần tử cho mô hình nghiên cứu 108 
Bảng 5.1. Các thông số động của khối đá, vỏ chống bê tông 115 
Bảng 5.2. So sánh kết quả mô hình số và dữ liệu đo tại điểm A 122 
Bảng 5.3. Sự ảnh hưởng của hệ số giảm chấn  đến giá trị PPV trong vỏ 
chống bê tông 
126 
Bảng 5.4. Sự ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động Ed đến giá trị PPV 129 
Bảng 5.5. Giá trị PPV (mm/s) đạt được trong phương pháp mô hình số 
với các mô hình phá hủy vật liệu khác nhau và phương pháp đo đạc thực tế 
131 
Bảng 5.6. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của vị trí gương đường 
hầm đến chấn động đối với vỏ chống bê tông cũ của đường hầm lân cận 
138 
Bảng 5.7. Giá trị (Dib) tại một số điểm quan sát trên biên đường hầm 
mới và đường hầm cũ 
141 
ix 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 
Nội dung Trang 
Hình 1.1. Sự cố, phá hủy xảy ra trong một số đường hầm ở Việt Nam và 
trên thế giới 
2 
Hình 1.2. Nổ mìn đào đường hầm gây nứt nhà dân tại dự án xây dựng 
đường hầm cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi 
3 
Hình 1.3. Điều kiện khu vực xung quanh đường hầm 4 
Hình 1.4. Sóng ứng suất truyền trong khối đá 4 
Hình 1.5. Ảnh hưởng của chấn động nổ mìn đến kết cấu công trình lân 
cận: a - Kết cấu đường hầm lân cận; b - Kết cấu công trình bề mặt 
5 
Hình 1.6. Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của nổ mìn trong môi trường 
san hô 
13 
Hình 2.1. Sơ đồ mô tả sự tác động của các loại sóng nổ gây ra bởi vụ nổ 
đến kết cấu đường hầm lân cận 
21 
Hình 2.2. Sơ đồ tính toán tương đương kết cấu đường hầm do sự lan 
truyền của sóng nổ gây ra 
22 
Hình 2.3. Sự hình thành các vùng xung quanh vụ nổ 23 
Hình 2.4. Sơ đồ tính xung riêng tác dụng lên kết cấu đường hầm 30 
Hình 2.5. Biểu đồ mô phỏng áp lực nổ mìn 30 
Hình 2.6. Quá trình nổ của một khối thuốc nổ trong lỗ khoan 32 
Hình 2.7. Biểu đồ áp lực nổ khối thuốc tác dụng lên thành lỗ khoan 34 
Hình 2.8. Hình dạng xung áp lực nổ ứng với hai loại thuốc nổ khác nhau 35 
Hình 2.9. Sơ đồ mô tả áp lực nổ mìn 37 
Hình 2.10. Mô hình tải trọng tác dụng theo thời gian khi nổ nhiều đợt lỗ 
mìn trên gương 
37 
Hình 2.11. Hàm áp lực nổ theo thời gian của loại nổ dạng 1 39 
Hình 3.1. Mặt cắt dọc địa chất tuyến đường hầm 45 
Hình 3.2. Mặt bằng vị trí tuyến hầm 45 
Hình 3.3. Mặt cắt địa chất điển hình 45 
x 
Hình 3.4. Một mặt cắt địa chất gương hầm 45 
Hình 3.5. Giá trị RMR của khối đá dọc tuyến đường hầm 45 
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí các lỗ mìn trên gương và trình tự nổ các lỗ mìn 46 
Hình 3.7. Cấu tạo cảm biến Géophone 47 
Hình 3.8. Vị trí các cảm biến trong vỏ chống bê tông của đường hầm cũ 48 
Hình 3.9. Kết quả đo PPV, phổ vận tốc của cảm biến C100 tại PM100 48 
Hình 3.10. Kết quả đo PPV và chuyển vị tại một vị trí của cảm biến 
điển hình tại dự án hầm Croix-Rousse 
49 
Hình 3.11. Đồ thị mức độ an toàn chấn động nổ mìn 51 
Hình 3.12. Biểu đồ quy định [PPV] cực trị ở dải tần số thấp theo 54 
Hình 3.13. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) và tỉ lệ khoảng cách (D/ Q ) 
theo ba phương dựa trên dữ liệu đo của cảm biến T tại dự án hầm Croix-
Rousse 
59 
Hình 3.14. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) và tỉ lệ khoảng cách (D/ Q ) 
theo ba phương dựa trên dữ liệu đo của cảm biến A theo ba phương 
59 
Hình 3.15. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) thẳng đứng (V) và tỉ lệ 
khoảng cách (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM 
220÷PM340 
59 
Hình 3.16. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương nằm ngang (H) 
và tỉ lệ (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM 
220÷PM340 
60 
Hình 3.17. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương dọc trục hầm (L) 
và (D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM 
220÷PM340 
60 
Hình 3.18. Kết quả quan hệ giữa ln(PPV) theo phương dọc trục hầm và 
(D/ Q ) dựa trên dữ liệu đo của cảm biến P tại vị trí PM 220÷PM340 
theo ba phương 
60 
Hình 3.19. Quan hệ giữa ln(PPV) theo ba phương (V, H, L) và tỉ lệ 
khoảng cách (D / Q ) theo kết quả ghi được của cảm biến T tại vị trí 
PM1400 
61 
xi 
Hình 3.20. Sơ đồ xác định khoảng cách giữa vị trí nổ mìn và điểm quan sát 62 
Hình 3.21. Mối quan hệ giữa PPV và tỉ lệ lượng nạp SC 65 
Hình 3.22. Giá trị RMR trong vùng nghiên cứu 1 70 
Hình 3.23. Sơ đồ thể hiện khoảng cách tương đối H của vị trí đặt cảm 
biến trong đường hầm 
71 
Hình 3.24. Quan hệ giữa RMR và ln(K) khi H>0 71 
Hình 3.25. Quan hệ giữa RMR và K khi H>0 71 
Hình 3.26. Quan hệ giữa RMR và α khi H>0 72 
Hình 3.27. Quan hệ giữa RMR và ln(K) khi H<0 72 
Hình 3.28. Quan hệ giữa RMR và K khi H<0 72 
Hình 3.29. Quan hệ giữa RMR và α khi H<0 72 
Hình 3.30. Quan hệ giữa RMR và ln(K) khi 0<H<45m 73 
Hình 3.31. Quan hệ giữa RMR và K khi 0<H<45 m 73 
Hình 3.32. Quan hệ giữa RMR và α khi 0<H<45 m 74 
Hình 3.33. Các mối quan hệ giữa ln(K), RMR và RMR tại cảm biến P 74 
Hình 3.34. Giá trị RMR trong vùng nghiên cứu thứ 2 75 
Hình 3.35. Mối quan hệ giữa Ln(K), α và RMR ở vùng 2 75 
Hình 3.36. Quan hệ giữa ln (K) và α theo RMR khi H0 m 76 
Hình 3.37. Quan hệ giữa RMRvà ln(K) 76 
Hình 3.38. Quan hệ giữa RMR và K 76 
Hình 3.39. Quan hệ giữa RMR và 76 
Hình 3.40. Quan hệ giữa RMR và ln(K) 76 
Hình 3.41. Quan hệ giữa RMR và K 77 
Hình 3.42. Quan hệ giữa RMR và 77 
Hình 3.43. Quan hệ giữa RMR và ln(K) 77 
Hình 3.44. Quan hệ giữa RMR và K 77 
Hình 3.45. Quan hệ giữa RMR và α 77 
Hình 3.46. So sánh quan hệ giữa ln(K), và RMR ở các vùng 1, vùng 2 77 
xii 
Hình 4.1. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến độ bền nén của bê tông 82 
Hình 4.2. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến độ bền kéo của bê tông 82 
Hình 4.3. Tần số, biên độ cho các tải trọng động khác nhau 83 
Hình 4.4. Hệ thống thí nghiệm SHPB 85 
Hình 4.5. Biến dạng trong thanh tới và thanh truyền 86 
Hình 4.6. Đồ thị truyền sóng ứng suất trong thí nghiệm SHPB điển hình 86 
Hình 4.7. Sơ đồ của một cầu Wheatstone 88 
Hình 4.8. Sơ đồ tính toán mẫu hình trụ 89 
Hình  ... A case study on rock damage 
prediction and control method for underground tunnels subjected to adjacent 
excavation blasting, Tunnelling and Underground Space Technology, No 35, pp.1-7. 
[94]. Yang J., Lu W., Chen M., Zhou Ch., (2012), Microseism Induced by 
TransientRelease of In Situ Stress During Deep Rock Mass Excavation by Blasting, Rock 
Mech Rock Eng, DOI 10.1007/s00603-012-0308-0. July 2013, Volume 46, Issue 4, pp 
859-875. 
[95]. Yu T.R., Vongpaisal S., (1996), New blast damage criteria for underground 
blasting, CIM Bulletin 89 (2), pp.139-145. 
 162 
[96]. Zhao Hua-bing et al., Experimental and Numerical Investigation of the Effect of 
Blast-induced Vibration from Adjacent Tunnel on Existing Tunnel, KSCE Journal of 
Civil Engineering (0000) 00(0): pp.1-9. 
[97]. Zhao, J., Li H.B., Li, T.J., (1999), Triaxial compression tests on a granite at 
different strain rates and confining pressures, International Journal of Rock 
Mechanics and Mining Sciences 1999; 36: pp.1057-1063. 
[98]. Zeinab Aliabadian, Wave and fracture propagation in continuum and faulted 
rock masses: distinct element modeling, Arabian Journal of Geosciences December 
2014, Volume 7, Issue 12, pp 5021-5035. 
163 
PHỤ LỤC 1 
 HIỆN TRẠNG MỘT SỐ ĐƯỜNG HẦM Ở VIỆT NAM 
Hình 1. Hiện trạng dự án hầm Cổ Mã 
Hình 2. Hiện trạng dự án hầm đường bộ qua đèo Hải Vân 
PHỤ LỤC 2 
MÔ HÌNH BUỒNG NỔ 
a) 
b) 
Hình 1. Mô hình buồng nổ: a - Buồng nổ hình cầu; b - Buồng nổ hình trụ [6] 
164 
PHỤ LỤC 3 
KHÁI QUÁT CHUNG VỂ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA 
CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN ĐẾN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH NGẦM LÂN CẬN 
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 
1. Phương pháp phần tử rời rạc 
Phương pháp mô hình sử dụng phương pháp phần tử rời rạc được sử dụng 
rất hiệu quả khi nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn với môi trường đất 
đá có chứa khe nứt hoặc bị phân lớp. Wang Z.L. và Konietzky (2009) [89] đã mô 
phỏng sự xuất hiện khe nứt xung quanh lỗ khoan khi nổ khối thuốc nổ trong lỗ 
khoan. Trong các nghiên cứu trên đây, các tác giả sử dụng hai phần mềm khác 
nhau là LS-DYNA và UDEC (Hình 1), với khối đá có hai hệ thống khe nứt trực 
giao. Tác giả tiến hành khảo sát các thông số: cấu trúc khe nứt với hai loại khe nứt 
khác nhau; ảnh hưởng của khối lượng thuốc nổ trong lỗ khoan (thể hiện mật độ tải 
trọng). Từ đó, rút ra kết luận: khối lượng thuốc càng lớn thì giá trị lớn nhất của 
sóng nén cao hơn, giá trị lớn nhất của sóng cắt (tiêu cực) có cùng xu hướng. Số 
lượng các vết nứt xung quanh lỗ khoan nạp thuốc cũng tăng lên khi tăng mật độ tải 
trọng. Ngoài ra, tác giả cũng tiến hành khảo sát ảnh hưởng của trạng thái ứng suất 
trước (với các đường hầm nằm ở độ sâu lớn) khi giả thiết lỗ khoan đặt ở độ sâu lớn 
và ảnh hưởng bởi bề mặt tự do gần đó. Kết quả cho thấy: các vết nứt xuất hiện do 
nổ mìn sắp xếp theo hướng ứng suất chính (phương có ứng suất ban đầu lớn hơn), 
(trong mô hình là hướng thẳng đứng). 
Sau đó, tác giả tiến hành khảo sát sự hình thành hệ thống khe nứt xung 
quanh lỗ khoan theo các điều kiện khác nhau: ảnh hưởng của cấu trúc khe nứt 
trong khối đá, mật độ thuốc nổ nạp trong lỗ khoan khác nhau; điều kiện ứng suất 
ban đầu xung quanh lỗ khoan khác nhau (Hình 2, Hình 3). 
Haibo Li (2015) [66] đã nghiên cứu sự truyền sóng nổ vượt qua khe nứt của 
đá bằng phương pháp phần tử riêng rẽ thông qua phần mềm UDEC (Hình 4); 
nghiên cứu truyền sóng trong môi trường có một hệ khe nứt (Hình 4.a). trong môi 
trường khe nứt có hai hệ khe nứt giao nhau (Hình 4.b). 
165 
Hình 1. Mô hình số bằng phần mềm UDEC [89]: a - Mô hình truyền sóng nổ 
trong khối đá liên tục; b - Mô hình truyền sóng nổ trong khối đá phân lớp [89] 
Hình 2. Sự hình phát triển của các khe nứt hướng tâm trong khối đá [89] 
Hình 3. Sự xuất hiện của các vết nứt khi thay đổi mật độ tải trọng [89] 
166 
a) b) 
Hình 4. Mô hình nghiên cứu truyền sóng qua khe nứt: 
a - Mô hình với một khe nứt; b - Mô hình với hai hệ khe nứt [66] 
Hình 5. Mô hình nghiên cứu sự lan truyền sóng 
bằng phương pháp phần tử rời rạc [98] 
a) 
b)
Hình 6. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khe nứt đến sự truyền sóng: a - 
Ảnh hưởng của khe nứt khi truyền sóng; b - Ảnh hưởng của của khoảng cách 
từ lỗ khoan đến khe nứt trong mô hình có và không có khe nứt [98] 
Kết quả nghiên cứu cho thấy: góc nghiêng khe nứt có ảnh hưởng đáng kể
167 
đến sự truyền sóng qua khe nứt. Zeinab Aliabadian (2013) [98] nghiên cứu sự lan 
truyền sóng nổ khi tiến hành nổ khối thuốc nổ trong lỗ khoan đường kính 38,0 mm 
trong môi trường có hai khe nứt nghiêng 450 và thẳng đứng. Tác giả tiến hành 
nghiên cứu sự ảnh hưởng của mật độ khe nứt đến sự lan truyền sóng trong đất đá 
bằng cách so sánh hai mô hình khi chưa có khe nứt và khi có khe nứt (Hình 5, 
Hình 6). 
Amichai Mitelman, Davide Elmo (2014) [41] sử dụng phương pháp hỗn hợp 
giữa phương pháp phần tử hữu hạn và phần tử rời rạc FEM-DEM để nghiên cứu sự 
phá hủy do nổ mìn trong một đường hầm hình tròn. Việc sử dụng các kết quả đo 
đạc trước đó để kiểm chứng mô hình số cho thấy: mô hình số phù hợp với các số 
liệu thí nghiệm đã được công bố trước đó khi nổ mìn trong buồng nổ tiết diện lớn. 
Tác giả sử dụng mô hình đã xây dựng để khảo sát đặc tính độ bền của đá yếu (đá 
cát kết) và đá rắn cứng (đá granit) đến độ bền của kết cấu chống đường hầm dưới 
tác dụng của vụ nổ. Kết quả nghiên cứu cho thấy: khi đá có độ bền càng cao sẽ làm 
tăng sức chống lại của đường hầm dưới tác dụng của áp lực, mặt khác làm giảm. 
Đặc biệt tác giả có sử dụng mô hình phá hủy cho khối đá là loại Hooke-Brown 
(Hình 7 và Hình 8). 
Hình 7. Mô hình khảo sát ảnh hưởng phá hủy đường hầm với bốn vùng: a -
Vùng 1 (tổng biến dạng); b - Vùng 2 (phá hủy mạnh); c - Vùng 3 (phá hủy 
vừa phải); d - Vùng 4 (phá hủy nhẹ) [41] 
168 
Hình 8. Kết quả khảo sát mô hình số theo [41] 
Hình 9. Mô hình số trên phần mềm 
Autodyn [47] 
Hình 10.Mô hình số trên phần mềm 
UDEC [47] 
Hình 11. Mối quan hệ giữa PPV1 và 
khoảng cách theo phương thẳng đứng 
từ buồng nổ [47] 
Hình 12. Mối quan hệ giữa PPV và 
khoảng cách theo phương nằm 
ngang từ buồng nổ [47] 
169 
Deng X.F. (2014) [47] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chấn động nổ mìn 
trong đường hầm tiết diện lớn bằng thuốc nổ TNT thông qua mô hình số. Mô hình 
được xây dựng dựa trên hỗn hợp hai phương pháp phần tử hữu hạn FEM và phần 
tử rời rạc DEM dựa trên code hai phần mềm UDEC và AUTODYN. Kết quả khảo 
sát mô hình số đã được so sánh với công thức kinh nghiệm và kết quả đo đạc 
(Hình 9, Hình 10, Hình 11, Hình 12). 
Quá trình nổ và truyền sóng xung kích được mô phỏng bằng phần mềm 
AUTODYN và kiểm chứng thông qua các số liệu đo đạc thực tế, các công thức 
kinh nghiệm. Kết quả mô hình sử dụng phần mềm AUTODYN được sử dụng làm 
số liệu đầu vào cho mô hình khi chạy bằng phần mềm UDEC. Các kết quả nghiên 
cứu mô hình UDEC-AUTODYN được so sánh với các công thức kinh nghiệm, dữ 
liệu thực nghiệm cho thấy: chúng hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của giá 
trị PPV. Tuy nhiên, giá trị PPV tính bằng phần mềm AUTODYN lớn hơn các dữ 
liệu đo. Điều đó dẫn tới sự nâng cao mức độ bảo vệ do chấn động nổ mìn và có thể 
làm tăng chi phí xây dựng công trình. Tuy nhiên PPV tính bằng hỗn hợp phương 
pháp UDEC-AUTODYN lại có thể chấp nhận được với các dữ liệu đo hiện trường 
(do tại đây có xem xét các khe nứt trong khối đá). Như vậy: hỗn hợp phương pháp 
UDEC-AUTODYN phù hợp để mô phỏng quá trình nổ mìn trong buồng và cho 
phép sóng truyền qua một hệ thống khe nứt. 
Mặc dù mô hình đã xét đến sự có mặt của các khe nứt, đặc điểm nổi bật của 
khối đá và kết quả đạt được khá tin cậy, sóng các vụ nổ mới chỉ dừng lại ở việc 
xem xét khối thuốc nổ một lần tức thời. Trong khi đó nổ mìn đào đường hầm cần 
nổ thành nhiều đợt nên phương pháp này còn hạn chế. 
Một số nhận xét: phương pháp phần tử rời rạc DEM cho phép mô phỏng các 
mô hình có kể đến sự ảnh hưởng của đặc tính không liên tục của khối đá thông qua 
các khe nứt tồn tại trong các mô hình tính. Mặc dù một số lượng lớn các công trình 
nghiên cứu khoa học đã thưc hiện, sóng các kết quả mới chỉ dừng lại ở việc nghiên 
cứu quá trình truyền sóng nổ từ một lỗ khoan đơn độc hay một khối thuốc nổ nổ 
trong một lỗ khoan. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ mới dừng lại cho mô hình đường 
hầm kích thước nhỏ với một hoặc hai khe nứt do tính phức tạp của bài toán và sự 
170 
giới hạn về kích thước của mô hình. Đa số các nghiên cứu số mới chỉ tiến hành trên 
mô hình 2D do tính phức tạp của mô hình số. Ngoài ra, kết quả chưa nghiên cứu xem 
xét hết được sự tổn thất năng lượng nổ do khối đất đá xung quanh hấp thụ. 
2. Phương pháp phần tử hữu hạn 
Saharan và Mitri (2008) [85] đã nghiên cứu vùng phá hủy hình thành xung 
quanh lỗ khoan có đường kính 38,0 mm trong môi trường khối đá khi tiến hành nổ 
một lượng thuốc nổ trong lỗ khoan. Trong nghiên cứu, hai loại hình tải trọng được 
sử dụng là áp lực "lý tưởng" và áp lực "không lý tưởng" (Hình 13.b) tương ứng 
với đặc tính hai loại thuốc nổ khác nhau (thuốc nổ ANFO, thuốc nổ nhũ tương). 
Dạng nổ "lý tưởng" với chất nổ nhũ tương thể hiện: thời gian tăng áp lực nổ 
là rất ngắn và đường giảm áp lực có độ dốc lớn. Dạng nổ "không lý tưởng" với 
chất nổ ANFO thời gian để áp lực nổ đạt giá trị lớn nhất dài hơn; đường giảm áp 
lực có độ dốc nhỏ hơn (so với loại thuốc nổ nhũ tương). Tác giả đã tiến hành 
nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số khối đá cũng như điều kiện ứng suất 
ban đầu, loại hình áp lực nổ đến sự hình thành các vết nứt xung quang lỗ khoan. 
Phương pháp số được sử dụng khá hiệu quả trong nghiên cứu này thông qua phần 
mềm Abaqus. Nan Jiang (2012) [74] đã tính toán, phân tích sự ảnh hưởng của chấn 
động nổ mìn lên kết cấu đường hầm lân cận khi nổ mìn phía trên bề mặt. Tác giả 
đã tính toán, phân tích giá trị PPV và ứng suất ảnh hưởng lên vỏ chống đường hầm 
và khối đá xung quanh do chấn động nổ mìn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 
thông qua phần mềm LS-DYNA trên cơ sở dữ liệu đo đạc của một dự án đường 
hầm gần đường hầm đường sắt (Hình 14). Nghiên cứu chỉ ra: những khác biệt của 
PPV giữa vỏ chống bên trong đường hầm và khối đá xung quanh mối quan hệ giữa 
ứng suất động và giá trị PPV. Tiêu chuẩn PPV được đưa ra từ lý thuyết độ bền kéo 
lớn nhất và các kết quả nghiên cứu của mô hình số đã được kiểm chứng bằng dữ 
liệu đo. Từ đó cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho các dự án tương tự. 
Nghiên cứu chỉ ra ngưỡng vận tốc giới hạn cho vỏ chống bê tông bằng 11,0 cm/s 
và đưa ra công thức thực nghiệm xác định giá trị độ bền kéo k dựa trên giá trị 
PPV [74]: 
171 
( )k 7,7164 PPV 0,3230 = + cho vỏ chống; (1) 
( )k 7,7164 PPV 0,3230 = + cho khối đá. (2) 
a) b) 
Hình 13. Mô hình số trong nhiên cứu của Saharan và Mitri (2008): 
a - Kích thước mô hình nghiên cứu; b - Mô hình áp lực nổ [85] 
a) b) 
Hình 14. Mô hình của Nan Jiang, Chuanbo Zhou (2012): a - Mô hình số; 
b - Mối quan hệ giữa PPV và ứng suất tiếp trong khối đá và vỏ chống [74] 
Qingguo Liang (2013) [83] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chấn 
động nổ mìn khi đào đường hầm đến vỏ chống của đường hầm lân cận thông qua 
nghiên cứu thực nghiệm và mô hình số tại dự án đường hầm đường sắt của Trung 
Quốc gồm hai đường hầm đào sóng sóng (trong đó đường hầm mới liền kề với 
đường hầm cũ). Nghiên được tiến hành từ việc xác định các thông số động của 
172 
khối đá để phục vụ cho việc mô hình hóa thông qua thí nghiệm động tại phòng thí 
nghiệm (Hình 5.15). 
a) b) 
c) d) 
Hình 15. Mô hình của Qingguo Liang (2013): a-Đường hầm trong thực tế; b-
Kích thước mô hình; c-PPV từ mô hình; d-So sánh giá trị PPV giữa mô hình 
2D và mô hình 3D [83] 
Bằng mô hình số và phương pháp đo đạc thực nghiệm, nghiên cứu tiến hành 
so sánh giá trị PPV giữa hai mô hình hai chiều 2D và ba chiều 3D. Kết quả so sánh 
cho thấy: giá trị PPV trong mô hình 3D nhỏ hơn so với mô hình 2D. Đồng thời, tác 
giả cũng đưa ra giải pháp giảm chấn động đến vỏ chống của đường hầm cũ bằng 
cách điều chỉnh hộ chiếu khoan nổ mìn. Tuy nhiên, do viêc mô phỏng ảnh hưởng 
của chấn động nổ mìn đến kết cấu chống đường hầm lận cận là một bài toán phức 
tạp có số lượng các phần tử rất lớn, cho nên việc kiểm chứng mô hình rất phức tạp. 
Nghiên cứu của Qingguo Liang đã bỏ qua bước kiểm chứng mô hình. Hua-bing 
Zhao (2015) [96] đã nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào đường 
hầm đến vỏ chống bê tông của đường hầm lân cận ở mức trên thông qua mô hình 
173 
số bằng cách sử dụng các số liệu đo đạc để làm các thông số đầu vào (ví dụ: áp lực 
nổ mìn tính qua vận tốc sóng dài; vận tốc chấn động) (Hình 16). 
a) b) c) 
Hình 16. Mô hình của (Zhao, 2015): a - Kích thước thực tế của dự án; 
b - Kích thước mô hình số; c - Kết quả so sánh mô hình số và kết quả đo [96] 
Bằng các số liệu đo đạc, nghiên cứu đã chỉ ra tần số dao động nguy hiểm 
của vỏ chống đường hầm cũ lân cận và áp lực nổ mìn lên biên đường hầm mới. 
Bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM, tác giả xây dựng mô hình số để nghiên 
cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn và so sánh với kết quả đo thực tế. Tuy nhiên, 
biên mô hình là loại phản xạ cho nên ít nhiều đã ảnh hưởng đến kết quả mô hình. 
A. Ansell (2007), Lamis, Ahmed (2012, 2014) [40], [62] đã nghiên cứu sự 
ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi đào đường hầm đến kết cấu vỏ chống bê tông 
phun phía sau gương và đường hầm lân cận bằng phương pháp thực nghiệm và 
phương pháp mô hình số. 
Bằng thực nghiệm hiện trường, các tác giả xác định được tần số dao động 
ảnh hưởng chủ yếu đối với vỏ chống bê tông phun cũng như xác định mô đun đàn 
hồi động của khối đá làm dữ liệu đầu vào cho mô hình số. Phương pháp số được 
nghiên cứu bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 
Đặc biệt, các tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của liên kết giữa bê tông 
phun-khối đá. Trong đó, giả định tại đây tồn tại liên kết hệ lò xo và liên kết dầm-lò 
xo. Tác giả cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của nổ mìn đến lớp bê tông mới phun, 
từ đó đưa ra khuyến cáo tránh nổ mìn trong vòng 12 giờ đầu tiên sau khi phun. Đây 
là nghiên cứu khá điển hình cho xem xét ảnh hưởng của liên kết giữa lớp bê tông 
phun và khối đá [57]. 
174 
3. Nhận xét 
Cùng với sự phát triển máy tính điện tử, các phương pháp số được ứng dụng 
nhiều trong các lĩnh vực, đặc biệt là nghiên cứu truyền sóng và ảnh hưởng của 
chấn động nổ mìn. Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn đã được sử dụng sớm 
và rất phổ biến do những ưu điểm vượt trội: thuật toán đơn giản; tốc độ giải bài 
toán nhanh; độ hội tụ; độ chính xác của phương pháp cao; phản ánh khá đầy đủ 
điều kiện thực tế. Phương pháp này đặc biệt có hiệu quả khi môi trường là đồng 
nhất hoặc đào trong đất đá đồng nhất hoặc nhiều lớp đất đá có tính chất cơ lý giống 
nhau. Trong luận án, tác giả chọn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua 
phần mềm Abaqus vì các lí do: bài toán động có thời gian tính toán rất lớn, đặc biệt 
cho các mô hình 3D có số lượng phần tử lớn; kết quả nghiên cứu mô hình có độ tin 
cậy nên phù hợp để sử dụng trong trường hợp này.