Tổng quan nghiên cứu

Việc xây dựng đường hầm đô thị tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng trở nên cấp thiết nhằm giải quyết bài toán giao thông trong bối cảnh diện tích đất hạn chế và tốc độ đô thị hóa nhanh. Theo báo cáo của ngành, dự án tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên đã áp dụng công nghệ khiên đào cân bằng áp lực đất (TBM-EPB) lần đầu tiên tại Việt Nam, mở ra cơ hội tiếp cận công nghệ thi công tiên tiến. Tuy nhiên, quá trình thi công đường hầm bằng công nghệ này gây ra biến dạng nền đất nén, ảnh hưởng trực tiếp đến các công trình lân cận, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp của khu vực đô thị với nhiều công trình có tuổi thọ lâu năm.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm sử dụng công nghệ TBM-EPB đến biến dạng nền đất nén, từ đó đưa ra các giải pháp giảm thiểu rủi ro cho các dự án tương tự tại Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn thi công ngầm của tuyến Metro số 1, đặc biệt là khu vực từ ga Ba Son đến Nhà hát Thành phố, với mô hình phân tích 2D và 3D dựa trên số liệu thực tế thu thập từ dự án. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá mức độ an toàn, ổn định nền đất và bảo vệ các công trình hiện hữu, góp phần nâng cao hiệu quả thi công và quản lý rủi ro trong xây dựng hạ tầng giao thông đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết áp lực cân bằng đất trong công nghệ khiên đào TBM-EPB và mô hình biến dạng nền đất theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Công nghệ TBM-EPB sử dụng áp lực đất tự nhiên để giữ ổn định gương đào, giảm thiểu sự xâm nhập nước ngầm và biến dạng đất xung quanh hầm. Lý thuyết áp lực cân bằng đất được mô tả qua các điều kiện áp lực tại đỉnh và đáy hầm, đảm bảo áp lực buồng đào tương đương hoặc lớn hơn áp lực đất và nước tác dụng.

Mô hình Mohr-Coulomb được áp dụng để mô phỏng ứng xử của đất nền, kết hợp với các phương pháp tính toán biến dạng nền đất như phương pháp nêm trượt và các phương trình thực nghiệm dự đoán biến dạng ngang, dọc và dưới mặt đất. Khái niệm hệ số biến dạng DR được sử dụng để đánh giá mức độ phá hoại công trình do biến dạng nền đất. Ngoài ra, lý thuyết độ cứng tương đương của tòa nhà được áp dụng để phân tích tương tác giữa công trình và nền đất trong quá trình thi công.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ dự án Metro số 1, bao gồm số liệu địa chất, kích thước mặt cắt hầm, thông số đất nền và tải trọng công trình lân cận. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng FEM bằng phần mềm PLAXIS 2D V8.2 và PLAXIS 3D Tunnel, mô phỏng quá trình thi công đường hầm theo công nghệ TBM-EPB. Cỡ mẫu mô hình được xây dựng dựa trên mặt cắt ngang và dọc của tuyến hầm, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và độ chính xác cần thiết.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 8/2018 đến tháng 12/2019, bao gồm tổng hợp lý thuyết, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và so sánh với số liệu thực nghiệm. Các phương pháp mô phỏng như phương pháp co ngắn (Contraction Method), phương pháp giải phóng ứng suất (Stress Release Ratio) và phương pháp phun vữa (Grout Method) được áp dụng để mô phỏng các giai đoạn thi công và biến dạng đất nền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng áp lực đầu đào đến biến dạng đất nền: Mô hình FEM cho thấy áp lực đầu đào cần được duy trì ở mức cân bằng hoặc cao hơn áp lực đất tự nhiên để tránh hiện tượng sụp lún hoặc đẩy đất. Khi áp lực giảm 30%, biến dạng đất nền xung quanh hầm tăng lên đáng kể, với độ lún mặt đất tại mặt cắt B-B tăng khoảng 15% so với áp lực cân bằng.

  2. Biến dạng nền đất theo phương ngang và dọc: Kết quả mô phỏng cho thấy độ lún mặt đất theo phương ngang đạt giá trị tối đa tại tâm hầm, giảm dần về hai bên với điểm uốn nằm trong khoảng 8-10m. Biến dạng theo phương dọc thể hiện sự phân bố không đều, với độ lún lớn nhất tại các vị trí thi công chính, tương ứng với số liệu thực nghiệm đo đạc tại hiện trường.

  3. Ảnh hưởng của tải trọng công trình lân cận: Mô hình phân tích tương tác giữa hầm và công trình lân cận cho thấy độ cứng tương đương của tòa nhà ảnh hưởng rõ rệt đến biến dạng nền đất. Khi độ cứng công trình tăng, độ lún nền đất giảm khoảng 10-20%, đồng thời giảm nguy cơ phá hoại kết cấu công trình. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của các tác giả quốc tế như Potts và Addenbrooker (1997).

  4. Tương tác giữa hệ đường hầm và móng sâu: Phân tích mô hình 3D cho thấy sự di chuyển của cọc móng sâu có thể làm giảm biến dạng đất nền xung quanh hầm, giảm độ lún mặt đất khoảng 5-8% so với trường hợp không có móng sâu. Điều này khẳng định vai trò của hệ móng trong việc ổn định nền đất khi thi công đường hầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của biến dạng nền đất là do sự thay đổi áp lực đất tại gương đào và sự mất mát đất trong quá trình thi công, đặc biệt là tại đuôi khiên đào. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng tại dự án Metro số 1 tương đồng với các công trình tại Naples (Ý) và Thượng Hải (Trung Quốc), cho thấy tính khả thi của phương pháp FEM trong điều kiện địa chất phức tạp tại Việt Nam.

Biểu đồ phân bố độ lún và ứng suất chính quanh hầm có thể được trình bày qua các bảng và hình ảnh mô phỏng 2D, 3D, giúp minh họa rõ ràng sự phân bố biến dạng theo không gian. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì áp lực đầu đào ổn định và kiểm soát tải trọng công trình lân cận nhằm giảm thiểu rủi ro biến dạng nền đất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát áp lực đầu đào: Đề nghị áp dụng hệ thống giám sát áp lực đầu đào liên tục, đảm bảo áp lực luôn duy trì ở mức cân bằng hoặc cao hơn áp lực đất tự nhiên, nhằm hạn chế biến dạng và sụp lún nền đất. Thời gian thực hiện: trong suốt quá trình thi công; Chủ thể: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  2. Áp dụng mô hình FEM trong thiết kế và giám sát: Khuyến nghị sử dụng phần mềm PLAXIS 2D và 3D để mô phỏng và dự báo biến dạng nền đất trước khi thi công, giúp tối ưu thiết kế vỏ hầm và biện pháp thi công. Thời gian: giai đoạn thiết kế và chuẩn bị thi công; Chủ thể: đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật.

  3. Tăng cường khảo sát địa chất và đánh giá tải trọng công trình lân cận: Cần thực hiện khảo sát chi tiết địa chất và đánh giá độ cứng, tải trọng của các công trình xung quanh để điều chỉnh phương án thi công phù hợp, giảm thiểu ảnh hưởng biến dạng. Thời gian: trước và trong quá trình thi công; Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị khảo sát.

  4. Sử dụng hệ móng sâu và biện pháp gia cố nền đất: Đề xuất áp dụng móng sâu hoặc các biện pháp gia cố nền đất tại các khu vực có công trình trọng yếu nhằm giảm biến dạng và tăng độ ổn định nền đất. Thời gian: giai đoạn thiết kế và thi công; Chủ thể: nhà thầu xây dựng và tư vấn thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư xây dựng công trình giao thông: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích biến dạng nền đất khi thi công đường hầm bằng công nghệ TBM-EPB, hỗ trợ trong thiết kế và giám sát thi công.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án hạ tầng đô thị: Giúp đánh giá rủi ro và đưa ra quyết định lựa chọn công nghệ thi công phù hợp, đảm bảo an toàn công trình và giảm thiểu chi phí phát sinh.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp tài liệu tham khảo về mô hình FEM, lý thuyết áp lực cân bằng đất và các phương pháp dự đoán biến dạng nền đất trong thi công hầm.

  4. Tư vấn thiết kế và giám sát thi công: Hỗ trợ xây dựng mô hình phân tích chính xác, dự báo biến dạng và đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm kiểm soát biến dạng nền đất và bảo vệ công trình lân cận.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ TBM-EPB là gì và tại sao được chọn cho thi công đường hầm đô thị?
    TBM-EPB là công nghệ khiên đào cân bằng áp lực đất, sử dụng áp lực đất tự nhiên để giữ ổn định gương đào, giảm thiểu biến dạng và xâm nhập nước ngầm. Công nghệ này phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận, được áp dụng thành công tại dự án Metro số 1 TP. Hồ Chí Minh.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giúp gì trong phân tích biến dạng nền đất?
    FEM cho phép mô phỏng chi tiết quá trình thi công và biến dạng đất nền trong không gian 2D và 3D, giúp dự báo chính xác biến dạng, ứng suất và tương tác giữa hầm với công trình lân cận, từ đó tối ưu thiết kế và biện pháp thi công.

  3. Áp lực đầu đào ảnh hưởng như thế nào đến biến dạng nền đất?
    Áp lực đầu đào cần duy trì cân bằng hoặc cao hơn áp lực đất tự nhiên để tránh hiện tượng sụp lún hoặc đẩy đất. Nếu áp lực giảm 30% so với áp lực cân bằng, biến dạng đất nền xung quanh hầm có thể tăng lên khoảng 15%, gây nguy cơ phá hoại công trình.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng biến dạng nền đất đến công trình lân cận?
    Có thể áp dụng các biện pháp như duy trì áp lực đầu đào ổn định, sử dụng mô hình FEM để dự báo biến dạng, khảo sát và đánh giá tải trọng công trình lân cận, gia cố nền đất hoặc sử dụng móng sâu nhằm tăng độ ổn định nền đất.

  5. Phạm vi áp dụng kết quả nghiên cứu này có giới hạn không?
    Nghiên cứu tập trung vào đoạn thi công ngầm tuyến Metro số 1 tại TP. Hồ Chí Minh với điều kiện địa chất đặc thù. Tuy nhiên, phương pháp và kết quả có thể tham khảo và điều chỉnh áp dụng cho các dự án đường hầm đô thị khác có điều kiện tương tự.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích thành công ảnh hưởng của quá trình thi công đường hầm bằng công nghệ TBM-EPB đến biến dạng nền đất nén tại khu vực TP. Hồ Chí Minh, dựa trên mô hình FEM 2D và 3D với số liệu thực tế từ dự án Metro số 1.
  • Áp lực đầu đào cân bằng là yếu tố then chốt kiểm soát biến dạng đất nền, giảm thiểu rủi ro sụp lún và ảnh hưởng đến công trình lân cận.
  • Tải trọng và độ cứng của công trình lân cận ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng nền đất, cần được xem xét kỹ trong thiết kế và thi công.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc lựa chọn công nghệ thi công và biện pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả dự án.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và khuyến nghị áp dụng mô hình FEM trong thiết kế, giám sát thi công và quản lý rủi ro cho các dự án đường hầm đô thị tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án đang và sẽ thi công, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và nâng cao độ chính xác mô hình phân tích nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển hạ tầng giao thông đô thị bền vững.