Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài được xây dựng trong bối cảnh hệ thống giao thông vận tải đô thị tại Thủ đô Hà Nội ghi nhận tốc độ gia tăng nhanh chóng của các phương tiện cơ giới đường bộ giai đoạn từ năm 1996 trở đi, với mức tăng trưởng trung bình đạt từ 8% đến 13%/năm đối với xe máy và từ 5% đến 8%/năm đối với ô tô. Sự phát triển mất cân đối giữa lưu lượng phương tiện cá nhân và năng lực đáp ứng của cơ sở hạ tầng giao thông mặt đất dẫn đến tình trạng quá tải nghiêm trọng, gây ùn tắc kéo dài, thiệt hại lớn về kinh tế, lãng phí năng lượng và gia tăng ô nhiễm môi trường cũng như tai nạn giao thông (khoảng 6 vụ tử vong mỗi ngày theo ước tính của Hội Chữ thập đỏ). Trong điều kiện quỹ đất đô thị hạn chế và dân số tăng nhanh, việc mở rộng đường bộ thông thường không còn khả thi. Do đó, việc đầu tư phát triển hệ thống vận tải hành khách công cộng khối lượng lớn, đặc biệt là mạng lưới giao thông ngầm (Metro), trở thành giải pháp cấp bách nhằm giải quyết căn bản bài toán giao thông đô thị và sử dụng hợp lý không gian ngầm.

Về cơ sở quy hoạch, đề tài căn cứ vào Quyết định số 108/1998/QĐ-TTg ngày 20/06/1998 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch tổng thể Thủ đô Hà Nội đến năm 2020. Văn bản chỉ đạo lấy vận tải hành khách công cộng làm trung tâm, bảo đảm tỷ lệ đáp ứng đạt 30% vào năm 2010 và 50% vào năm 2020, trong đó ưu tiên xây dựng các trục chính đường sắt đô thị. Tuyến đường sắt đô thị thí điểm đoạn Nhổn – Ga Hà Nội là trục xuyên tâm Đông – Tây được lựa chọn đầu tư xây dựng trước.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu bối cảnh, điều kiện tự nhiên, địa chất công trình, địa chất thủy văn, khí hậu và đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực tuyến đi qua.
  2. Đánh giá hiện trạng và dự báo nhu cầu giao thông công cộng trên tuyến hành lang Nhổn – Ga Hà Nội.
  3. Phân tích, so sánh và lựa chọn phương án kiến trúc tuyến (hầm đặt nông hay hầm đặt sâu; mặt cắt ngang hình hộp chữ nhật, hình vòm hay hình tròn; hầm đơn hay hầm đôi).
  4. Thiết kế sơ bộ các hệ thống công trình phụ trợ kỹ thuật gồm: hệ thống thông gió, thoát nước, cấp điện động lực và phân cấp/chọn giải pháp chống thấm.
  5. Phân tích, so sánh các phương pháp thi công công trình ngầm đô thị và lựa chọn công nghệ thi công tối ưu.
  6. Tính toán kết cấu vỏ hầm bê tông cốt thép lắp ghép dạng vành tròn phân tố trên nền đàn hồi chịu tác dụng của các tổ hợp tải trọng địa tầng.

Đối tượng nghiên cứu là công trình hầm tàu điện ngầm (Metro) thuộc tuyến đường sắt đô thị thí điểm thành phố Hà Nội. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở đoạn tuyến ngầm từ ga S14 (đường Cát Linh, quận Đống Đa) đến ga S15 (trước Ga Hà Nội trên đường Trần Hưng Đạo, quận Hoàn Kiếm), với chiều dài ước tính khoảng 1.000 m.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung pháp lý, tiêu chuẩn và dữ liệu áp dụng

  • Căn cứ pháp lý và quy hoạch: Quyết định số 108/1998/QĐ-TTg ngày 20/06/1998 của Thủ tướng Chính phủ; quy hoạch mạng lưới giao thông công cộng và các nghiên cứu của dự án hỗ trợ kỹ thuật Asia Trans (giai đoạn 2002–2004), số liệu điều tra giao thông của Viện Quản lý Đô thị (IMV, 2004) và Tổng công ty Vận tải Hà Nội (Hanoi Transerco).
  • Tiêu chuẩn chống thấm: Tiêu chuẩn quy phạm kỹ thuật chống thấm công trình ngầm của Trung Quốc GBJ 108-87 (áp dụng để phân cấp và lựa chọn giải pháp chống thấm công trình ngầm).
  • Dữ liệu địa chất: Kết quả khoan thăm dò địa chất tại lỗ khoan khảo sát L36 thuộc khu vực quận Hoàn Kiếm, cung cấp số liệu phân tầng địa chất sâu đến 70 m.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

  • Phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp số liệu: Xử lý chuỗi số liệu khảo sát lưu lượng phương tiện, các luồng di chuyển luân phiên sáng/chiều, điều kiện khí tượng thủy văn khu vực Hà Nội.
  • Phương pháp so sánh, đánh giá phương án: So sánh kỹ thuật - kinh tế đa tiêu chí giữa các giải pháp đặt hầm (nông - sâu), hình dạng mặt cắt (chữ nhật, vòm, tròn đơn, tròn đôi), loại hình kết cấu vỏ hầm (toàn khối, lắp ghép, hỗn hợp) và biện pháp thi công (đào hở, tường trong đất, vì kéo di động, giếng chìm/kenson, khiên đào TBM).
  • Phương pháp xác định tải trọng đất đá: Áp dụng lý thuyết vòm áp lực tự nhiên của M.M. Protodyakonov cho đất đá yếu dính để tính toán tải trọng đất đá thẳng đứng và áp lực hông tác dụng lên vỏ hầm đặt sâu.
  • Phương pháp tính toán kết cấu ngầm: Áp dụng phương pháp của Viện Thiết kế Tàu điện ngầm Liên Xô (Metroproekt). Phương pháp này mô hình hóa kết cấu vỏ hầm vành tròn thành hệ thanh đa giác nội tiếp gồm 16 cạnh với 8 khớp nối trơn, đặt trên nền môi trường đàn hồi cục bộ (thay thế bằng các liên kết thanh/gối tựa đàn hồi phân bố tại các nút trong vùng chịu kháng lực đàn hồi). Bài toán được giải bằng phương pháp lực thông qua hệ phương trình chính tắc với các tích phân chuyển vị dạng Mohr – Maxwell.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Thiết kế sơ bộ

Chương I: Giới thiệu về dự án tuyến đường sắt đô thị thành phố Hà Nội

Chương này tổng quan về dự án tuyến đường sắt đô thị thí điểm đoạn Nhổn – Ga Hà Nội và phân tích hiện trạng giao thông tại các trục chính của Thủ đô:

  • Tổng chiều dài toàn tuyến là 12,5 km cộng thêm 0,2 km đường dẫn vào Depot tại Nhổn; trong đó đoạn đi trên cao dài 9,8 km và đoạn đi ngầm dài 2,9 km với tổng số 15 ga (từ ga S1 đến S15).
  • Khảo sát thực trạng giao thông tại Hà Nội cho thấy mức độ lưu thông rất cao, đạt kỷ lục so với nhiều thành phố tương đương (như Lyon - Pháp chỉ đạt khoảng 7.000 xe/giờ/hướng vào giờ cao điểm). Lưu lượng người và xe tập trung dày đặc trên các trục xuyên tâm:
Địa điểm khảo sát Lượng xe vào giờ cao điểm (xe/h) Lượng người tham gia giao thông vào giờ cao điểm (người/h)
Kim Mã 22.614 35.440
Giảng Võ 18.954 26.146
Cát Linh 17.250 22.302
Lê Duẩn 17.085 24.577
Tôn Đức Thắng 16.170 22.280
Nguyễn Thái Học 13.917 21.576
  • Dữ liệu khảo sát chỉ ra sự chênh lệch lớn giữa các luồng di chuyển hai chiều: buổi sáng lượng người đi vào trung tâm cao hơn hướng ra vành đai 74% (85.873 so với 49.332 người); buổi chiều lượng người đi ra ngoại thành cao hơn hướng vào trung tâm 27% (76.535 so với 60.196 người).
  • Dự báo nhu cầu giao thông trên tuyến Nhổn – Ga Hà Nội: năm 2010 đạt 123.800 hành khách/ngày (giờ cao điểm 1 chiều đoạn đông nhất đạt 6.000 hành khách); năm 2020 đạt 274.000 hành khách/ngày (cao điểm đạt 9.500 hành khách); năm 2030 đạt 12.000 hành khách/giờ/hướng.
  • Địa chất khu vực nghiên cứu được xác lập chi tiết từ lỗ khoan L36 gồm 7 lớp địa tầng chính:
Lớp đất Bề dày (m) Chiều sâu đáy lớp (m) Đặc điểm loại đất
Lớp 1 1,2 1,2 Đất đổ nền
Lớp 2 4,8 6,0 Đất cát pha lẫn sỏi gạch
Lớp 3 9,0 15,0 Đất sét dẻo và bùn hữu cơ
Lớp 4 8,0 23,0 Cát xám hạt trung
Lớp 5 11,0 34,0 Sét pha cát (lớp đặt hầm)
Lớp 6 5,0 39,0 Cát hạt thô
Lớp 7 31,0 70,0 Sỏi cuội lẫn cát hạt thô
  • Điều kiện khí hậu thủy văn ghi nhận nhiệt độ trung bình năm 23,8°C, lượng mưa trung bình 1.500 mm/năm, độ ẩm 85%. Mực nước sông Hồng dao động từ +1,28 m (mùa khô) đến +10,18 m (mùa mưa), đỉnh lũ lịch sử +14,3 m; mực nước ngầm dao động trong khoảng từ -30 m đến +13 m. Khu vực trung tâm nội đô có mật độ dân cư và cơ quan hành chính cao, do đó công tác vận chuyển đất đá phế thải và vật tư thi công buộc phải tiến hành vào ban đêm (từ 22h00 hôm trước đến 06h00 hôm sau).

Chương II: Lựa chọn và thiết kế kiến trúc

Chương này tập trung xác lập các thông số kỹ thuật đoàn tàu, khổ giới hạn, phương án tuyến, kết cấu vỏ hầm và công trình phụ trợ:

  • Thông số đoàn tàu: Giai đoạn đầu sử dụng đoàn tàu 3 khoang (2 toa kéo, 1 toa kéo phụ), chiều dài 58,5 m, rộng 2,8 m, tải trọng trục tối đa 14 tấn, tốc độ thiết kế 80 km/h, khả năng chuyên chở từ 431 đến 587 chỗ. Tương lai mở rộng lên đoàn tàu 4 khoang dài 80 m với sức chở 792 đến 1.002 người. Tần suất chạy tàu ban đầu 5,4 phút/chuyến (đáp ứng 6.300 hành khách/giờ/hướng), sau đó nâng lên 3,45 phút/chuyến (9.500 HK/h/hướng) và 3,0 phút/chuyến (12.000 HK/h/hướng). Thời gian khai thác từ 5h00 đến 24h00, vận tốc thương mại đạt 33,8 km/h.
  • Lựa chọn phương án đặt hầm: Đoạn S14 – S15 đi qua khu trung tâm văn hóa chính trị (Ba Đình) và khu phố cổ (Hoàn Kiếm) với đường phố chật hẹp, không cho phép thay đổi kiến trúc và ảnh hưởng đến công trình lân cận. Tác giả chọn phương án hầm đặt sâu ở cao độ -23,0 m (nằm trọn trong lớp sét pha cát số 5) thay vì phương án hầm đặt nông (-2,5 m đến -5,0 m).
  • So sánh 4 phương án mặt cắt ngang:
Tiêu chí Phương án 1 (Hộp chữ nhật 2 tuyến) Phương án 2 (Dạng vòm) Phương án 3 (Tròn 2 tuyến đơn) Phương án 4 (Tròn tuyến đôi)
Kích thước hình học Rộng 8,8 m; Cao 6,1 m; Vách/Nóc 0,6 m Rộng 8,2 m; Cao 5,45 m; Tường 0,35 m Bán kính ngoài 3,0 m; Dày vỏ 0,3 m; Rộng 9,7 m Bán kính ngoài 4,25 m; Dày vỏ 0,35 m; Rộng 8,5 m
Khả năng chịu lực Kém hơn dạng tròn Tốt Tốt trong đất yếu Tốt nhất trong đất yếu
Phương pháp thi công Lộ thiên / Tường trong đất Kín Kín (Khiên đào TBM) Kín (Khiên đào TBM)
Đánh giá lựa chọn Không chọn (ảnh hưởng bề mặt) Không chọn (thi công phức tạp) Không chọn (chi phí đào 2 ống hầm cao) Được chọn (tối ưu chi phí và biện pháp thi công)
  • Kết cấu vỏ hầm: Chọn kết cấu vỏ bê tông cốt thép lắp ghép dạng vành tròn đúc sẵn gồm 8 phân tố liên kết khớp trơn. Bê tông có mác cường độ chịu nén tối thiểu đạt R400 và cấp chống thấm tương đương B8.
  • Hệ thống phụ trợ:
    • Hệ thống thông gió: Bố trí thông gió cơ học hút - đẩy kết hợp giếng đứng (đường kính trong 4,0 m, vận tốc gió 7–8 m/s). Đặt trạm quạt thông gió tại vị trí giữa hai ga, cách Ga Hà Nội 300 m gồm 2 quạt ly tâm/đồng trục công suất 180.000 – 250.000 m³/h.
    • Hệ thống thoát nước: Rãnh thoát nước dọc với độ dốc tối thiểu 0,003, độ dốc ngang 0,02–0,03 dẫn về các hố thu gom và dùng máy bơm đưa lên mạng lưới thoát nước đô thị.
    • Hệ thống cấp điện: Cung cấp điện 3 pha 6–10 kV từ 3 nguồn độc lập của thành phố tới trạm kéo - hạ thế ngầm. Điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều 825 V DC cấp qua ray tiếp xúc thứ ba đặt bên trái tuyến hầm; điện hạ thế dùng cho chiếu sáng và phụ tải là 380V/220V/127V.
    • Chống thấm: Áp dụng cấp chống thấm Cấp 2 theo GBJ 108-87 cho tuyến hầm. Vỏ hầm được quét lớp phủ bitum/sơn chống thấm tại nhà máy, đổ lớp bê tông chống thấm dày 10 cm mặt trong, bố trí khe biến dạng rộng 200 mm tại khoảng cách mỗi 20 m có gắn băng cản nước PVC hoặc cao su rộng 250–300 mm.
  • Lựa chọn công nghệ thi công: So sánh các phương pháp hố móng hở, vì kéo di động, tường trong đất, phương pháp hạ đoạn (Kenson) và phương pháp khiên đào. Tác giả lựa chọn phương pháp khiên đào cơ giới (TBM - Tunnel Boring Machine) xuất phát từ các giếng đứng thi công nhằm giữ nguyên vẹn hiện trạng kiến trúc đô thị, tránh lún sụt bề mặt và giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn.

Phần II: Thiết kế kỹ thuật

Chương I: Tính toán kết cấu

Chương này thực hiện việc xác lập số liệu tải trọng và giải bài toán cơ học kết cấu hầm:

  • Thông số hình học và vật liệu tính toán:
    • Đường kính ngoài hầm: $d_n = 8.500\text{ mm} = 8,5\text{ m}$.
    • Đường kính trong hầm: $d_0 = 7.800\text{ mm} = 7,8\text{ m}$.
    • Chiều dày vỏ hầm: $d_k = 350\text{ mm} = 0,35\text{ m}$.
    • Bán kính trục tính toán: $r = 4,075\text{ m}$ (đường kính trục $2r = 8,15\text{ m}$).
    • Chiều rộng vành hầm tính toán: $b = 1.000\text{ mm}$ (và $b = 1,2\text{ m}$ khi quy đổi độ cứng gối đàn hồi).
    • Diện tích tiết diện: $F = 3,5\text{ m}^2$; Mô đun đàn hồi bê tông: $E = 2,9 \times 10^6\text{ T/m}^2$.
  • Xác định tải trọng tác dụng:
    • Tải trọng áp lực đất đá thẳng đứng: Chiều sâu hầm $Z = 23\text{ m}$, nằm trong lớp đất sét pha cát số 5 có hệ số độ cứng $f_{kp} = 0,7$. Chiều dày lớp đất phủ $H = 23\text{ m} < 2,5 \times h_v = 23,41\text{ m}$ thỏa mãn điều kiện hình thành vòm áp lực Protodyakonov. Áp lực đất thẳng đứng tiêu chuẩn $q_{tc} = 17,79\text{ T/m}^2$; áp lực thẳng đứng tính toán $q_{tt} = 26,69\text{ T/m}^2$ (với hệ số vượt tải $n_1 = 1,5$).
    • Tải trọng bản thân kết cấu: Tĩnh tải phân bố đều quy ước hướng từ trên xuống với giá trị $g_{tt} = 0,9625\text{ T/m}^2$.
    • Áp lực đất hông: Phân bố dạng hình thang với cường độ tại đỉnh kết cấu $e_0 = 6,35\text{ T/m}^2$ và tại đáy kết cấu $e_9 = 10,96\text{ T/m}^2$ (hệ số vượt tải áp lực hông $n_2 = 1,2$, góc ma sát trong $\varphi$ được cộng thêm $5^\circ$).
    • Các tải trọng khác: Tải trọng thủy tĩnh, tải trọng công trình bên trên và hoạt tải động lực được phân tích và chứng minh có thể bỏ qua trong sơ đồ tính toán do vị trí đặt hầm sâu và để thiên về an toàn.
  • Sơ đồ và phương pháp tính toán nội lực:
    • Mô hình hóa kết cấu vỏ hầm thành hệ vành tròn 8 khớp, chia thành đa giác 16 cạnh. Do tính chất đối xứng hình học và tải trọng, kết cấu được chia thành hai nửa và bài toán chuyển về xác định 3 ẩn số lực mô men uốn tại các nút: $M_4, M_6, M_8$ (các khớp tại nút 1, 3, 5, 7, 9 có mô men triệt tiêu bằng 0; 3 nút đỉnh trong vùng thoát ly phía trên góc $90^\circ - 150^\circ$ không bố trí gối đàn hồi).
    • Độ cứng của gối đàn hồi nút được tính theo biểu thức: $K^* = k \times b \times L_i$ với hệ số đàn hồi đất nền $K = 1.000\text{ T/m}^3$.
    • Chuyển vị đơn vị và chuyển vị do tải trọng ngoài được xác định qua công thức tích phân Mohr – Maxwell. Tải trọng phân bố ngoài được quy đổi chính xác thành các lực tập trung đặt tại từng nút mắt của đa giác để giải hệ phương trình chính tắc và suy ra biểu đồ nội lực (mô men $M$, lực dọc $N$, phản lực nền $R$).

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp thi công

  • Giải pháp kiến trúc và kết cấu hầm: Công trình được thiết kế dưới dạng hầm tròn tuyến đôi có đường kính ngoài 8,5 m, đường kính trong 7,8 m, vỏ hầm dày 350 mm cấu tạo từ các khối bê tông cốt thép lắp ghép đúc sẵn với 8 phân tố liên kết khớp. Khổ giới hạn hầm bảo đảm chiều cao tĩnh không 3,8 m và bề rộng toa xe 2,8 m, bố trí đường ray đôi khổ tiêu chuẩn cùng lối đi bộ công vụ rộng 430 mm ở hai bên sườn.
  • Giải pháp các hệ thống kỹ thuật:
    • Hệ thống thông gió cưỡng bức dạng hút - đẩy qua giếng đứng đường kính 4,0 m, kết nối với trạm quạt ngầm công suất $180.000 - 250.000\text{ m}^3/\text{h}$, tích hợp cảm biến trắc viễn đo đạc nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí độc hại ($CO, CO_2$) truyền về trung tâm điều hành.
    • Hệ thống rãnh thoát nước dọc đáy hầm có độ dốc $i \ge 0,003$ thu gom nước rò rỉ và nước rửa hầm về hố bơm trung tâm để bơm cưỡng bức vào mạng lưới thoát nước mặt.
    • Hệ thống cấp điện trạm kéo ngầm biến đổi điện áp lưới 3 pha $6-10\text{ kV}$ thành nguồn một chiều $825\text{ V DC}$ cấp điện cho tàu qua thanh dẫn ray thứ ba.
  • Biện pháp thi công hầm ngầm bằng TBM:
    • Thi công các giếng đứng công tác bằng thiết bị khoan cọc và tường dẫn chuyên dụng để đưa khiên đào xuống cao độ thiết kế -23,0 m.
    • Sử dụng máy khiên đào cơ giới (TBM) vận hành liên hoàn: đầu cắt cơ học đào phá đất đá ở gương hầm, hệ thống kích thủy lực đẩy khiên tiến về phía trước tì vào các vòng vỏ hầm đã lắp ráp, tay gắp tự động lắp ghép các phân tố vỏ bê tông đúc sẵn tạo thành kết cấu vỏ hầm kín ngay sau đuôi khiên.
    • Vận chuyển phế thải đất đào và vật tư xây dựng qua giếng đứng hoàn toàn trong khung giờ ban đêm ($22\text{h}00 - 6\text{h}00$) nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng đến giao thông và sinh hoạt của người dân khu vực phố cổ.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán và thiết kế: Xác lập giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh cho đoạn hầm ngầm 1.000 m (từ ga Cát Linh đến Ga Hà Nội) với các thông số cụ thể: mặt cắt tròn tuyến đôi đường kính ngoài 8,5 m, chiều dày vỏ 0,35 m, đặt ở chiều sâu -23,0 m trong tầng sét pha cát. Tính toán đầy đủ tải trọng thẳng đứng do áp lực đất $q_{tt} = 26,69\text{ T/m}^2$, tĩnh tải $g_{tt} = 0,9625\text{ T/m}^2$, áp lực hông $e_0 = 6,35\text{ T/m}^2$ và $e_9 = 10,96\text{ T/m}^2$.
  • Đóng góp về giải pháp kỹ thuật: Chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ khiên đào TBM kết hợp vỏ hầm bê tông cốt thép đúc sẵn phân tố nhiều khớp trên nền đất yếu đô thị tại Hà Nội. Giải pháp này giúp bảo tồn nguyên vẹn các công trình kiến trúc lịch sử bên trên, không gây gián đoạn mạng lưới giao thông mặt đất và hạn chế biến dạng lún sụt nền móng công trình lân cận.
  • Đóng góp về phương pháp tính toán: Áp dụng phương pháp Metroproekt vào mô hình hóa bài toán tương tác giữa vành hầm tròn nhiều khớp với nền đàn hồi cục bộ, đưa ra quy trình tính toán rõ ràng qua hệ phương trình chính tắc 3 ẩn lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi tính toán trong đồ án mới tập trung vào đoạn tuyến điển hình S14 – S15 (chiều dài 1.000 m) với điều kiện địa chất đồng nhất tại hố khoan L36. Do điều kiện đặt hầm sâu và giả thiết thiên về an toàn, tính toán chưa xét đến ảnh hưởng của tải trọng động đất, chấn động do hoạt tải tàu chạy thực tế và áp lực thủy tĩnh khi mực nước ngầm dâng cao đột biến.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng tính toán chi tiết bố trí cốt thép cho từng phân tố vỏ hầm đúc sẵn; mô phỏng số 3D quá trình đào hầm bằng TBM có xét đến ma sát tiếp xúc và quá trình phun vữa lấp khe hở đuôi khiên (tail void grouting); thiết kế chi tiết các kết cấu đấu nối phức tạp như giếng thông gió, trạm biến áp ngầm và nhà ga chuyển tiếp S14, S15.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Xây dựng Cầu Hầm, Công trình ngầm đô thị, Kỹ thuật Hạ tầng giao thông và Giao thông đô thị.
  • Nội dung tham khảo: Cung cấp tài liệu mẫu về phương pháp luận tính toán kết cấu hầm ngầm metro dạng vành tròn nhiều khớp theo phương pháp Metroproekt; hướng dẫn quy trình so sánh lựa chọn phương án mặt cắt ngang, phương pháp thi công TBM và thiết kế các hệ thống cơ điện phụ trợ (thông gió, thoát nước, cấp điện, chống thấm) cho các dự án đường sắt đô thị trong điều kiện địa chất đô thị Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương án hầm đặt sâu ở cao độ -23 m thay vì hầm đặt nông?
Do đoạn tuyến đi qua khu vực trung tâm chính trị quận Ba Đình và khu phố cổ quận Hoàn Kiếm có mật độ xây dựng dày đặc và nhiều công trình lịch sử không được phép can thiệp kiến trúc. Việc đặt hầm sâu ở cao độ -23 m (nằm trong tầng sét pha cát) kết hợp khiên đào kín TBM giúp thi công an toàn mà không làm gián đoạn giao thông mặt bằng hẹp và không ảnh hưởng đến móng các công trình lân cận.

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để phân cấp và thiết kế chống thấm cho hầm trong đồ án?
Tác giả áp dụng Tiêu chuẩn quy phạm kỹ thuật chống thấm công trình ngầm của Trung Quốc GBJ 108-87. Đoạn hầm metro chạy tàu được phân loại thuộc Cấp chống thấm Cấp 2 (cho phép bề mặt chỉ có dấu hiệu thấm ẩm, không cho phép rò rỉ thành giọt hay tia nước).

3. Mặt cắt ngang hầm được lựa chọn có thông số hình học và cấu tạo ra sao?
Mặt cắt được chọn là dạng tròn đôi với đường kính ngoài $d_n = 8.500\text{ mm}$, đường kính trong $d_0 = 7.800\text{ mm}$, chiều dày vỏ hầm bê tông cốt thép $d_k = 350\text{ mm}$, gồm 8 phân tố lắp ghép bằng liên kết khớp trơn, mặt trong có lớp bê tông chống thấm dày 100 mm.

4. Hệ thống thông gió cho đoạn hầm ngầm được thiết kế theo nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng phương pháp thông gió cưỡng bức hút - đẩy dọc tuyến qua giếng đứng đường kính trong 4,0 m với vận tốc không khí $7-8\text{ m/s}$. Trạm quạt gồm 2 quạt ly tâm/đồng trục công suất $180.000 - 250.000\text{ m}^3/\text{h}$ được bố trí tại vị trí giữa hai ga, cách Ga Hà Nội 300 m.

5. Phương pháp cơ học nào được áp dụng để tính toán nội lực vỏ hầm?
Đồ án áp dụng phương pháp Metroproekt của Viện Thiết kế Tàu điện ngầm, thay thế vành tròn bằng đa giác 16 cạnh có 8 khớp liên kết đặt trên nền đàn hồi cục bộ ($K = 1.000\text{ T/m}^3$), thiết lập hệ phương trình chính tắc phương pháp lực 3 ẩn số ($M_4, M_6, M_8$) để giải nội lực mô men, lực dọc và phản lực đất nền.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Chí Trung đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế sơ bộ và kỹ thuật kết cấu cho đoạn tuyến hầm metro S14 – S15 (Cát Linh – Ga Hà Nội) thuộc dự án đường sắt đô thị thí điểm Hà Nội. Trên cơ sở phân tích toàn diện hiện trạng giao thông, địa chất công trình và điều kiện đô thị lịch sử, tác giả đã lựa chọn giải pháp hầm tròn tuyến đôi đặt sâu -23 m thi công bằng khiên đào TBM với vỏ bê tông cốt thép lắp ghép 8 phân tố. Bằng việc áp dụng lý thuyết vòm áp lực Protodyakonov và phương pháp tính toán Metroproekt trên nền đàn hồi, công trình cung cấp cơ sở kỹ thuật chuẩn xác và là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho chuyên ngành Xây dựng Cầu hầm và Công trình ngầm đô thị.