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 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 và thấm nước trong đất: Xác định lưu lượng nước thấm vào hố móng dựa trên hệ số thấm của đất, áp lực nước ngầm và cấu trúc địa chất. Các công thức tính toán lưu lượng nước thấm như công thức Dacxy và Abramov được áp dụng để thiết kế hệ thống thoát nước.

  • 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 ngầm dựa trên chiều sâu giếng và lớp đất không thấm nước dưới đáy giếng.

  • Khái niệm về hệ số thấm (k), bán kính ảnh hưởng (R), và lưu lượng nước (Q): Đây là các thông số quan trọng để tính toán công suất máy bơm và số lượng giếng cần thiết.

  • Phương pháp điện thấm: Sử dụng dòng điện một chiều để định hướng dòng chảy nước ngầm, tăng hiệu quả hạ mực nước và gia cố nền đất.

Các khái niệm chính bao gồm: hạ mực nước ngầm, giếng điểm, hệ số thấm, lưu lượng nước thấm, và phương pháp thi công tường chắn giữ hố móng.

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 chuyên ngành về kỹ thuật xây dựng công trình ngầm. Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, phân tích các phương pháp hạ mực nước ngầm hiện hành, các công thức tính toán lưu lượng nước và thiết kế hệ thống thoát nước.

  • Khảo sát hiện trường: Thu thập số liệu về địa chất, mực nước ngầm, điều kiện thi công tại các công trình hố đào sâu ở Hải Phòng.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng các công thức tính toán lưu lượng nước thấm, công suất máy bơm, số lượng giếng, và đánh giá hiệu quả các phương pháp hạ mực nước ngầm.

  • 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, lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu thuận tiện dựa trên tính đại diện của điều kiện địa chất và mực nước ngầm. Phương pháp phân tích chủ yếu là phân tích định lượng dựa trên các công thức thủy lực và mô hình giếng, kết hợp đánh giá thực nghiệm từ hiện trường.

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 tại các vùng đất yếu phía Nam và Tây Nam. Phần lớn khu vực phía Tây Bắc và Đông Bắc có nền địa chất tốt, thuận lợi cho thi công công trình cao tầng.

  2. Ảnh hưởng của nước ngầm đến thi công hố đào sâu: Nước ngầm có thể xâm nhập hố móng qua nhiều con đường, gây ngập nước, bục lở, giảm cường độ đất nền, tăng lún công trình. Áp lực lỗ rỗng thay đổi khi hạ mực nước ngầm có thể gây biến dạng công trình lân cận. Do đó, việc hạ mực nước ngầm là cần thiết để đảm bảo an toàn thi công.

  3. Hiệu quả các phương pháp hạ mực nước ngầm: Phương pháp giếng điểm nhẹ thích hợp với hố móng nhỏ, hệ số thấm đất từ 0,1 đến 50 m/ngày, độ sâu hạ mực 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 máng hở thoát nước phù hợp với đất cuội sỏi, mực nước ngầm thấp, chi phí thấp nhưng không ngăn được hiện tượng lưu sa cát chảy.

  4. Tính toán thiết kế hệ thống hạ mực nước ngầm: Sử dụng công thức tính lưu lượng nước thấm, công suất máy bơm và số lượng giếng dựa trên các thông số địa chất thủy văn. Ví dụ, công suất máy bơm được tính theo công thức:

$$ N = \frac{a Q H}{75 \eta_1 \eta_2} $$

với (a) là hệ số an toàn, (Q) lưu lượng nước, (H) tổng độ cao cột nước, (\eta_1, \eta_2) hiệu suất máy bơm và động cơ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các vấn đề thi công hố đào sâu là do mực nước ngầm cao và địa chất phức tạp, đặc biệt tại các vùng đất yếu có lớp cát mịn dễ bị trôi rửa. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả nghiên cứu tại Hải Phòng phù hợp với đặc điểm địa chất và điều kiện thi công thực tế. Việc lựa chọn phương pháp hạ mực nước ngầm cần căn cứ vào hệ số thấm, độ sâu hố móng và diện tích hố đào.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố mực nước ngầm theo độ sâu và bản đồ địa chất công trình, bảng so sánh hiệu quả các phương pháp hạ mực nước ngầm theo tiêu chí chi phí, độ sâu hạ nước và phạm vi ảnh hưởng. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu rủi ro sụt lún và bảo vệ công trình lân cận.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp giếng điểm nhẹ cho hố móng có diện tích nhỏ và mực nước ngầm không sâu quá 6m: Giúp giảm chi phí và đảm bảo an toàn thi công, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 tháng, do các nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế chịu trách nhiệm.

  2. Sử dụng giếng điểm sâu kết hợp quan trắc chặt chẽ cho hố móng sâu trên 10m và hệ số thấm lớn: Giúp kiểm soát hiệu quả mực nước ngầm, giảm nguy cơ lún không đều, thời gian thi công từ 3-6 tháng, chủ yếu do đơn vị thi công và giám sát kỹ thuật thực hiện.

  3. Triển khai hệ thống thoát nước mặt bằng máng hở tại các khu vực có đất cuội sỏi và mực nước ngầm thấp: Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, thích hợp cho các công trình có điều kiện địa chất thuận lợi, thời gian thi công nhanh, do nhà thầu thi công đảm nhận.

  4. Xây dựng quy trình quan trắc mực nước ngầm liên tục trong quá trình thi công: Bao gồm đo đạc mực nước, lưu lượng bơm, và quan sát biến dạng đất nền để kịp thời điều chỉnh phương án hạ mực nước, đảm bảo an toàn công trình, do đơn vị tư vấn giám sát phối hợp với chủ đầu tư thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà thầu thi công công trình ngầm: Nắm bắt các phương pháp hạ mực nước ngầm phù hợp với điều kiện địa chất tại Hải Phòng, áp dụng hiệu quả trong thi công hố đào sâu.

  2. Chuyên gia thiết kế công trình dân dụng và công nghiệp: Sử dụng các công thức tính toán lưu lượng nước thấm và thiết kế hệ thống hạ mực nước ngầm chính xác, đảm bảo an toàn và kinh tế.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và quy hoạch đô thị: Đánh giá các giải pháp kỹ thuật phù hợp với quy hoạch phát triển đô thị, đặc biệt trong việc sử dụng không gian ngầm.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm về kỹ thuật hạ mực nước ngầm trong thi công hố đào sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần hạ mực nước ngầm khi thi công hố đào sâu?
    Nước ngầm có thể ngấm vào hố móng gây ngập nước, làm giảm cường độ đất nền, tăng nguy cơ sụt lún và mất ổn định công trình. Hạ mực nước ngầm giúp giữ hố móng khô ráo, đảm bảo an toàn thi công.

  2. Phương pháp hạ mực nước ngầm nào phù hợp với đất yếu và mực nước cao?
    Phương pháp giếng điểm sâu hoặc giếng điểm bơm sâu được khuyến nghị vì có thể hạ mực nước sâu và kiểm soát lưu lượng nước lớn, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp.

  3. Làm thế nào để tính toán số lượng giếng và công suất máy bơm cần thiết?
    Dựa trên lưu lượng nước thấm vào hố móng, hệ số thấm đất và chiều sâu hố đào, sử dụng các công thức tính toán lưu lượng và công suất như công thức Dacxy và Abramov để xác định số lượng giếng và công suất máy bơm.

  4. Phương pháp điện thấm có ưu điểm gì?
    Phương pháp điện thấm không chỉ hạ mực nước ngầm mà còn gia cố nền đất, tăng cường độ đất và ổn định hố đào, đặc biệt hiệu quả với đất có hệ số thấm thấp.

  5. Làm sao để đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận khi hạ mực nước ngầm?
    Cần thực hiện quan trắc liên tục mực nước ngầm và biến dạng đất, lựa chọn phương pháp hạ mực nước phù hợp, đồng thời thiết kế hệ thống thoát nước khoa học để hạn chế ảnh hưởng đến công trình xung quanh.

Kết luận

  • Đặc điểm địa chất phức tạp và mực nước ngầm cao tại Hải Phòng đòi hỏi các giải pháp hạ mực nước ngầm phù hợp để đảm bảo an toàn thi công hố đào sâu.
  • Các phương pháp giếng điểm nhẹ, giếng điểm sâu và máng hở thoát nước được áp dụng phổ biến, mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng phù hợp với điều kiện cụ thể.
  • Việc tính toán lưu lượng nước thấm, công suất máy bơm và số lượng giếng là cơ sở quan trọng để thiết kế hệ thống hạ mực nước hiệu quả.
  • Quy trình quan trắc mực nước ngầm trong quá trình thi công cần được xây dựng và thực hiện nghiêm ngặt nhằm giảm thiểu rủi ro.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các nhà thiết kế, thi công và quản lý xây dựng trong việc lựa chọn và triển khai giải pháp hạ mực nước ngầm tại các công trình hố đào sâu ở Hải Phòng và các đô thị tương tự.

Để tiếp tục nâng cao hiệu quả thi công, các đơn vị liên quan nên áp dụng các giải pháp đề xuất, đồng thời đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong hạ mực nước ngầm và gia cố nền đất.