Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, đặc biệt tại các đô thị lớn như Hải Phòng, nhu cầu xây dựng các công trình ngầm ngày càng tăng cao. Theo báo cáo của ngành xây dựng, các công trình có tầng hầm tại Việt Nam hiện phổ biến với độ sâu hố đào từ 5 đến 19,5 mét, như tòa nhà PACIFIC PLACE tại Hà Nội có 5 tầng hầm với độ sâu hố đào 19,5m. Hải Phòng cũng đang phát triển các dự án lớn như khách sạn Hilton 5 sao và trung tâm thương mại với tầng hầm sâu, tổng vốn đầu tư hơn 2.200 tỷ đồng, dự kiến khai thác năm 2018. Việc thi công hố đào sâu trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và địa chất phức tạp đặt ra thách thức lớn về an toàn và hiệu quả kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất các giải pháp hạ mực nước ngầm hợp lý cho các công trình có chiều sâu hố đào và điều kiện đất nền khác nhau tại khu vực Hải Phòng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các phương pháp hạ mực nước ngầm trong thi công hố đào sâu tại Hải Phòng, kết hợp nghiên cứu lý thuyết và phân tích kết quả khảo sát hiện trường. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc đảm bảo an toàn thi công, giảm thiểu rủi ro trượt lở, sụt lún, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ các công trình lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về thủy văn công trình và kỹ thuật hạ mực nước ngầm, bao gồm:

  • Lý thuyết thủy lực trong đất: Nghiên cứu sự chuyển động của nước ngầm qua các lớp đất với hệ số thấm khác nhau, áp dụng các công thức tính lưu lượng nước thấm và bán kính ảnh hưởng của giếng hút.
  • Mô hình giếng hoàn chỉnh và không hoàn chỉnh: Phân tích sự khác biệt trong thiết kế và hiệu quả của các giếng hạ mực nước dựa trên chiều sâu và cấu trúc địa chất.
  • Khái niệm về hệ số thấm (k): Là thông số quan trọng để tính toán lưu lượng nước thấm vào hố móng, ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn phương pháp hạ mực nước.
  • Nguyên lý điện thấm: Sử dụng dòng điện một chiều để định hướng và tăng lưu lượng nước ngầm, đồng thời gia cố nền đất.
  • Các phương pháp hạ mực nước ngầm phổ biến: Bao gồm hút nước trên mặt, giếng điểm nhẹ, giếng điểm sâu, giếng điểm phun, giếng điểm ống và phương pháp điện thấm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các báo cáo khảo sát địa chất thủy văn, số liệu thực tế thi công tại Hải Phòng, và tài liệu lý thuyết chuyên ngành. Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Phân tích lý thuyết: Tổng hợp các công thức tính toán lưu lượng nước thấm, bán kính ảnh hưởng, công suất máy bơm, số lượng và bố trí giếng.
  • Khảo sát hiện trường: Thu thập số liệu về địa chất, mực nước ngầm, hệ số thấm đất tại các khu vực thi công hố đào sâu ở Hải Phòng.
  • Phân tích so sánh: Đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp hạ mực nước ngầm dựa trên điều kiện thực tế và số liệu thu thập được.
  • Thời gian nghiên cứu: Tập trung vào giai đoạn từ năm 2015 đến 2017, phù hợp với các dự án xây dựng lớn tại Hải Phòng.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các công trình thi công hố đào sâu với độ sâu từ 5 đến 20 mét, địa chất đa dạng từ đất yếu đến đất cứng, mực nước ngầm dao động từ 0,5 đến 2 mét. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí đại diện cho các điều kiện địa chất và thi công phổ biến tại Hải Phòng. Phân tích dữ liệu sử dụng các công thức thủy lực, mô hình tính toán giếng, và đánh giá hiệu quả thực tế qua các chỉ số an toàn và chi phí thi công.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố địa chất và mực nước ngầm tại Hải Phòng: Khu vực trung tâm có tầng cát mịn với độ bão hòa nước lớn từ độ sâu 6m đến gần 40m, mực nước ngầm cao từ 0,5 đến 2m. Phía Tây Bắc và Đông Bắc có nền địa chất tốt, thuận lợi cho xây dựng, trong khi phía Nam và Tây Nam có nền đất yếu sâu đến 40m, đòi hỏi móng cọc xuyên qua lớp đất yếu.

  2. Ảnh hưởng của nước ngầm đến thi công hố đào sâu: Nước ngầm có thể xâm nhập hố móng qua nhiều đường như nước mặt, từ dưới đáy hố, qua chân cừ hoặc tường cừ. Việc nước ngấm vào hố móng làm giảm cường độ đất nền, tăng nguy cơ lún, sụt lở và ảnh hưởng đến an toàn công trình. Áp lực lỗ rỗng thay đổi khi hạ mực nước ngầm có thể gây biến dạng công trình lân cận.

  3. Hiệu quả các phương pháp hạ mực nước ngầm: Phương pháp giếng điểm nhẹ thích hợp với hố móng nhỏ, hệ số thấm từ 0,1 đến 50 m/ngày, độ sâu hạ nước 3-6m. Giếng điểm sâu có thể hạ mực nước đến 15m, phù hợp với hệ số thấm 10-250 m/ngày, nhưng cần quan trắc chặt chẽ để tránh lún không đều. Phương pháp hút nước trên mặt phù hợp với đất cuội sỏi, mực nước ngầm thấp, chi phí thấp nhưng không ngăn được hiện tượng lưu sa cát chảy. Phương pháp điện thấm hiệu quả với đất có hệ số thấm thấp (<0,1 m/ngày), vừa hạ mực nước vừa gia cố nền đất.

  4. Tính toán thiết kế hệ thống hạ mực nước: Số lượng giếng, khoảng cách bố trí và công suất máy bơm được xác định dựa trên công thức thủy lực, hệ số thấm và kích thước hố móng. Ví dụ, bán kính ảnh hưởng của giếng có thể lên đến 500m với hệ số thấm lớn, lưu lượng nước thấm được tính theo công thức Dacxy và Abramov. Độ sâu hạ mực nước cần đảm bảo ít nhất 0,5m so với đáy hố móng để thi công khô ráo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các vấn đề thi công hố đào sâu là do đặc điểm địa chất phức tạp và mực nước ngầm cao tại Hải Phòng. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả cho thấy việc lựa chọn phương pháp hạ mực nước phải dựa trên điều kiện cụ thể của từng công trình, không thể áp dụng chung một phương pháp. Ví dụ, phương pháp giếng điểm sâu tuy hiệu quả nhưng nếu không quan trắc kỹ sẽ gây lún không đều, ảnh hưởng đến các công trình lân cận.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố hệ số thấm theo vùng, bảng so sánh ưu nhược điểm các phương pháp, và sơ đồ bố trí giếng hạ mực nước. Việc áp dụng các phương pháp kết hợp, như giếng điểm nhẹ với hệ thống máng hở, giúp tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn thi công. Ngoài ra, việc quan trắc liên tục trong quá trình thi công là yếu tố quyết định để điều chỉnh kịp thời các biện pháp kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp hạ mực nước ngầm phù hợp theo điều kiện địa chất: Đối với khu vực có nền đất yếu và mực nước ngầm cao, ưu tiên sử dụng giếng điểm sâu kết hợp giám sát chặt chẽ để đảm bảo an toàn. Thời gian thực hiện trong giai đoạn chuẩn bị thi công hố móng, chủ thể là các đơn vị thiết kế và thi công.

  2. Xây dựng quy trình quan trắc mực nước ngầm liên tục: Thiết lập hệ thống đo đạc tự động, ghi nhận biến động mực nước và áp lực lỗ rỗng để kịp thời điều chỉnh biện pháp hạ mực nước. Thời gian triển khai song song với thi công, do chủ đầu tư phối hợp với đơn vị tư vấn giám sát thực hiện.

  3. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ thi công: Đào tạo về các phương pháp hạ mực nước, vận hành máy bơm và xử lý sự cố nhằm giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu quả thi công. Thời gian đào tạo trước khi khởi công dự án, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới: Nghiên cứu phát triển các phương pháp hạ mực nước ngầm tiên tiến như điện thấm, đóng băng nhân tạo trong các trường hợp đặc biệt để nâng cao hiệu quả và giảm tác động môi trường. Chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ xây dựng, thời gian trung hạn từ 2-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình xây dựng: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về các phương pháp hạ mực nước ngầm, áp dụng vào thiết kế và thi công hố đào sâu đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  2. Chuyên gia địa chất công trình và thủy văn: Sử dụng các công thức tính toán và phân tích địa chất thủy văn để đánh giá điều kiện hiện trường và đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  3. Các nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ các rủi ro liên quan đến nước ngầm trong thi công, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và giám sát thi công hiệu quả.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy và học tập về kỹ thuật hạ mực nước ngầm trong thi công công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải hạ mực nước ngầm khi thi công hố đào sâu?
    Việc hạ mực nước ngầm giúp tránh ngập nước trong hố móng, giảm áp lực nước lên thành hố, ngăn ngừa sụt lở và đảm bảo an toàn cho công trình. Ví dụ, khi mực nước ngầm cao hơn đáy hố móng, nước sẽ thấm vào gây ngập và làm giảm cường độ đất nền.

  2. Phương pháp hạ mực nước ngầm nào phù hợp với đất yếu và mực nước cao?
    Phương pháp giếng điểm sâu kết hợp điện thấm là lựa chọn hiệu quả cho đất yếu, mực nước ngầm cao, vì vừa hạ được mực nước sâu vừa gia cố nền đất, giảm nguy cơ sụt lún.

  3. Làm thế nào để xác định số lượng và vị trí giếng hạ mực nước?
    Dựa trên lưu lượng nước thấm vào hố móng, hệ số thấm đất và kích thước hố móng, sử dụng công thức tính toán bán kính ảnh hưởng và lưu lượng giếng để bố trí giếng đều quanh hố móng, đảm bảo mực nước hạ thấp hơn đáy hố ít nhất 0,5m.

  4. Có những rủi ro nào khi hạ mực nước ngầm không đúng cách?
    Rủi ro bao gồm sụt lún không đều gây hư hại công trình lân cận, bục lở hố móng, trồi đất đáy hố, và hư hại kết cấu móng. Do đó, cần quan trắc liên tục và điều chỉnh biện pháp kịp thời.

  5. Phương pháp điện thấm có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Điện thấm không chỉ hạ mực nước ngầm mà còn gia cố nền đất, tăng cường độ đất, phù hợp với đất có hệ số thấm thấp. Ngoài ra, điện thế sử dụng thấp, an toàn cho người thi công.

Kết luận

  • Đặc điểm địa chất phức tạp và mực nước ngầm cao tại Hải Phòng đòi hỏi lựa chọn phương pháp hạ mực nước ngầm phù hợp, kết hợp nhiều kỹ thuật để đảm bảo an toàn thi công.
  • Phương pháp giếng điểm sâu và điện thấm được đánh giá là hiệu quả nhất trong điều kiện đất yếu và mực nước cao, tuy nhiên cần quan trắc chặt chẽ để tránh rủi ro.
  • Việc thiết kế hệ thống hạ mực nước dựa trên các công thức thủy lực và số liệu khảo sát thực tế giúp tối ưu hóa chi phí và hiệu quả thi công.
  • Quy trình quan trắc mực nước ngầm liên tục và đào tạo kỹ thuật viên là yếu tố then chốt để đảm bảo thành công của các dự án thi công hố đào sâu.
  • Đề nghị các đơn vị thi công, chủ đầu tư và nhà quản lý dự án áp dụng các giải pháp nghiên cứu trong luận văn để nâng cao chất lượng và an toàn công trình.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị liên quan nên triển khai áp dụng quy trình quan trắc và đào tạo kỹ thuật viên ngay trong các dự án đang và sắp thi công tại Hải Phòng để giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả thi công.