Tổng quan nghiên cứu

Việc phát triển hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam, đặc biệt là tuyến Quốc lộ 1A nối miền Bắc và miền Nam, đóng vai trò quan trọng trong thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, tuyến đường hiện tại qua đèo Cả có nhiều hạn chế như độ dốc lớn, nhiều cua tay áo, thường xuyên xảy ra sụt trượt và tai nạn giao thông, gây ùn tắc và làm giảm năng lực vận tải. Do đó, việc xây dựng hầm đường bộ qua đèo Cả với chiều dài khoảng 3.900m là giải pháp cấp thiết nhằm giảm thiểu tai nạn, tăng năng lực vận chuyển và hoàn thiện mạng lưới giao thông quốc gia.

Phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM) được áp dụng trong dự án này, trong đó bê tông phun (BTP) đóng vai trò then chốt trong hệ thống chống đỡ công trình ngầm. Bê tông phun giúp tăng độ ổn định, cải thiện tính chất cơ lý của đất đá yếu, giảm biến dạng và tăng cường độ chịu lực cho hầm. Tuy nhiên, việc lựa chọn cấp phối và công nghệ thi công bê tông phun phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của đèo Cả là một thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của dự án.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hiệu quả sử dụng bê tông phun trong xây dựng hầm đèo Cả, thông qua khảo sát đặc điểm địa chất, phân tích vai trò và tính toán bê tông phun trong hệ thống chống đỡ NATM, đồng thời đề xuất các giải pháp công nghệ và gia cường phù hợp. Nghiên cứu có phạm vi tập trung vào dự án hầm đèo Cả, với dữ liệu thu thập trong quá trình khảo sát địa chất và thi công từ năm 2010 đến 2014. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ an toàn, giảm chi phí và tăng tuổi thọ công trình hầm đường bộ tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM): NATM là phương pháp xây dựng hầm dựa trên nguyên tắc sử dụng khối đất đá xung quanh làm kết cấu chịu lực chính, kết hợp với hệ thống chống đỡ bằng bê tông phun, neo đá và khung thép. Các nguyên tắc cơ bản bao gồm duy trì cường độ nguyên thủy của khối đá, ngăn chặn biến dạng và tơi rời, lắp đặt hệ thống chống đỡ kịp thời với độ mềm dẻo thích hợp, và sử dụng quan trắc biến dạng để điều chỉnh thi công.

  2. Lý thuyết về bê tông phun trong xây dựng công trình ngầm: Bê tông phun là vật liệu hỗn hợp xi măng, cốt liệu, phụ gia được phun với áp lực cao lên bề mặt đất đá nhằm tạo lớp vỏ bảo vệ và gia cố. Bê tông phun có thể đóng vai trò lớp bảo vệ, lớp kết cấu hoặc vỏ hầm chịu lực tùy theo điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật. Các đặc tính kỹ thuật của bê tông phun bao gồm cường độ chịu nén, độ bám dính, khả năng biến dạng đàn hồi dẻo và khả năng chống thấm.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm:

  • Hệ thống chống đỡ hầm NATM: tổ hợp giữa khối đá và lớp vỏ bê tông phun, neo đá, khung thép.
  • Bê tông phun loại 1, 2, 3: tương ứng với lớp bảo vệ mỏng, lớp kết cấu gia cố và vỏ hầm chịu lực.
  • Biến dạng và ổn định khối đá: ảnh hưởng của ứng suất thứ sinh và biến dạng cơ học đến độ bền và tuổi thọ công trình.
  • Cấp phối bê tông phun: tỷ lệ xi măng, cốt liệu, phụ gia và nước ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và thi công.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu khảo sát địa chất, địa hình, thủy văn và địa kỹ thuật khu vực đèo Cả.
  • Tài liệu trong và ngoài nước về phương pháp NATM, bê tông phun và công nghệ thi công hầm.
  • Số liệu thực tế thi công hầm đèo Cả và các công trình ngầm tương tự.

Phương pháp phân tích:

  • Phân tích đặc điểm địa chất và đánh giá tính ổn định khối đá dựa trên các chỉ số RMR, ứng suất và biến dạng quan trắc.
  • Đánh giá vai trò và tính toán bê tông phun trong hệ thống chống đỡ NATM qua mô hình lý thuyết và thực nghiệm.
  • So sánh hiệu quả các loại bê tông phun và công nghệ thi công (phun khô, phun ướt).
  • Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng bê tông phun dựa trên phân tích kỹ thuật và kinh tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2010 đến 2014, bao gồm các giai đoạn khảo sát, phân tích lý thuyết, thu thập số liệu thực tế và đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các điểm khảo sát địa chất tại hai cửa hầm, số liệu quan trắc biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công, cùng các mẫu bê tông phun thử nghiệm tại hiện trường.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí đại diện cho các điều kiện địa chất khác nhau trong khu vực hầm, đảm bảo tính khách quan và khả năng áp dụng rộng rãi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất phức tạp của hầm đèo Cả: Kết quả khảo sát cho thấy khu vực hầm có nhiều loại đá với đặc tính khác nhau, từ đá tốt đến đá phong hóa mạnh và đất yếu. Đặc biệt, các vùng đá yếu và đất dễ sập đổ chiếm khoảng 30% chiều dài hầm, đòi hỏi hệ thống chống đỡ phải linh hoạt và hiệu quả cao.

  2. Vai trò quan trọng của bê tông phun trong hệ thống chống đỡ NATM: Bê tông phun được sử dụng làm lớp bảo vệ và lớp kết cấu, giúp giảm biến dạng ban đầu của đất đá, tăng độ ổn định và giảm nguy cơ sập lở. Số liệu thực tế cho thấy lớp bê tông phun có độ dày từ 2-5 cm giúp giảm biến dạng mặt đào khoảng 15-20% so với không sử dụng.

  3. So sánh hiệu quả công nghệ phun khô và phun ướt: Phun khô có ưu điểm về khả năng vận chuyển và lưu trữ hỗn hợp bê tông, phù hợp với điều kiện thi công phức tạp. Phun ướt cho phép kiểm soát tốt hơn về độ đồng nhất và giảm lượng rơi vãi, tăng cường độ bê tông lên đến 10-15% so với phun khô. Tuy nhiên, phun ướt đòi hỏi thiết bị và điều kiện thi công phức tạp hơn.

  4. Đề xuất cấp phối bê tông phun tối ưu: Sử dụng xi măng pooc lăng loại 1 hoặc 2, kết hợp phụ gia thúc đẩy ninh kết và phụ gia cuốn khí, tỷ lệ cốt liệu thô không vượt quá 9,5 mm, tỷ lệ nước-xi măng thấp hơn bê tông truyền thống giúp tăng cường độ và giảm co ngót. Thêm sợi thép gia cường 1-2% khối lượng bê tông giúp tăng khả năng chịu kéo và giảm nứt.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định vai trò thiết yếu của bê tông phun trong hệ thống chống đỡ hầm theo NATM, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp như đèo Cả. Việc sử dụng bê tông phun giúp duy trì trạng thái ứng suất nén ba trục trong khối đá, ngăn chặn biến dạng và tơi rời, từ đó nâng cao độ ổn định và tuổi thọ công trình.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các dự án hầm lớn tại châu Âu và Bắc Mỹ, nơi bê tông phun được ứng dụng rộng rãi với hiệu quả kỹ thuật cao. Tuy nhiên, điều kiện địa chất đặc thù tại Việt Nam đòi hỏi phải điều chỉnh cấp phối và công nghệ thi công phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả.

Việc lựa chọn công nghệ phun khô hay phun ướt cần cân nhắc giữa điều kiện thi công, chi phí và yêu cầu kỹ thuật. Phun ướt tuy có ưu điểm về chất lượng bê tông nhưng đòi hỏi thiết bị phức tạp và chi phí cao hơn, trong khi phun khô linh hoạt và phù hợp với điều kiện thi công tại đèo Cả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ biến dạng mặt đào với và không sử dụng bê tông phun, bảng so sánh cường độ bê tông phun theo công nghệ phun, và sơ đồ cấp phối bê tông phun tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng cấp phối bê tông phun tối ưu: Sử dụng xi măng pooc lăng loại 1 hoặc 2, kết hợp phụ gia thúc đẩy ninh kết và phụ gia cuốn khí, tỷ lệ nước-xi măng thấp, cốt liệu thô không vượt quá 9,5 mm, bổ sung sợi thép gia cường 1-2%. Mục tiêu tăng cường độ bê tông phun lên ít nhất 15% so với hiện tại. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thi công hầm đèo Cả. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  2. Ưu tiên công nghệ phun ướt trong điều kiện thi công thuận lợi: Để nâng cao chất lượng bê tông phun, giảm lượng rơi vãi và tăng độ đồng nhất, nên áp dụng công nghệ phun ướt tại các khu vực có điều kiện thi công tốt. Mục tiêu giảm chi phí vật liệu và tăng độ bền bê tông. Thời gian áp dụng: giai đoạn thi công chính. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công.

  3. Tăng cường quan trắc biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công: Lắp đặt hệ thống đo đạc biến dạng, dịch chuyển và ứng suất tại các vị trí trọng yếu để điều chỉnh kịp thời biện pháp chống đỡ và thi công bê tông phun. Mục tiêu giảm thiểu rủi ro mất ổn định đất đá. Thời gian áp dụng: suốt quá trình thi công. Chủ thể thực hiện: đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu.

  4. Đào tạo nâng cao năng lực thi công bê tông phun: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ phun bê tông, vận hành thiết bị và kiểm soát chất lượng cho đội ngũ thi công nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn. Mục tiêu nâng cao năng suất và chất lượng thi công. Thời gian áp dụng: trước và trong quá trình thi công. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư phối hợp với nhà thầu và các chuyên gia.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về ứng dụng bê tông phun trong hệ thống chống đỡ NATM, giúp thiết kế các giải pháp gia cố phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp.

  2. Nhà thầu thi công hầm và công trình ngầm: Tham khảo các công nghệ thi công bê tông phun, cấp phối vật liệu và biện pháp kiểm soát chất lượng để nâng cao hiệu quả thi công và giảm chi phí.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quan trắc biến dạng, đánh giá rủi ro và điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn và tiến độ dự án.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng cầu đường, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp và ứng dụng bê tông phun trong xây dựng công trình ngầm, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bê tông phun có vai trò gì trong phương pháp NATM?
    Bê tông phun giúp tạo lớp vỏ bảo vệ và gia cố khối đá xung quanh hầm, ngăn chặn biến dạng và tơi rời, duy trì trạng thái ứng suất nén ba trục, từ đó nâng cao độ ổn định công trình.

  2. Phân biệt công nghệ phun khô và phun ướt như thế nào?
    Phun khô vận chuyển hỗn hợp khô đến vòi phun rồi trộn nước tại đầu phun, phù hợp với điều kiện thi công phức tạp. Phun ướt trộn nước và vật liệu trước khi phun, cho bê tông đồng nhất hơn và giảm rơi vãi nhưng đòi hỏi thiết bị phức tạp hơn.

  3. Làm thế nào để chọn cấp phối bê tông phun phù hợp?
    Cần cân nhắc loại xi măng, tỷ lệ nước-xi măng thấp, kích thước cốt liệu phù hợp (dưới 9,5 mm), sử dụng phụ gia thúc đẩy ninh kết và sợi gia cường để tăng cường độ và giảm nứt, phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật.

  4. Tại sao cần quan trắc biến dạng và ứng suất trong thi công hầm?
    Quan trắc giúp phát hiện sớm biến dạng và ứng suất bất thường, từ đó điều chỉnh kịp thời biện pháp chống đỡ và thi công, giảm nguy cơ mất ổn định và sự cố công trình.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các dự án hầm khác không?
    Có, các kết quả và giải pháp đề xuất có thể áp dụng cho các công trình hầm có điều kiện địa chất tương tự, đặc biệt là các dự án sử dụng phương pháp NATM và bê tông phun trong xây dựng.

Kết luận

  • Nghiên cứu khẳng định vai trò quan trọng của bê tông phun trong hệ thống chống đỡ hầm theo phương pháp NATM, đặc biệt tại dự án hầm đèo Cả với điều kiện địa chất phức tạp.
  • Đặc điểm địa chất đa dạng của đèo Cả đòi hỏi cấp phối bê tông phun và công nghệ thi công phải được tối ưu để đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.
  • Công nghệ phun ướt và phun khô đều có ưu nhược điểm riêng, cần lựa chọn phù hợp với điều kiện thi công thực tế.
  • Việc quan trắc biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và chất lượng công trình.
  • Đề xuất các giải pháp cấp phối, công nghệ thi công và quản lý thi công nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng bê tông phun, góp phần phát triển bền vững công trình hầm đường bộ tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các giải pháp đề xuất trong giai đoạn thi công tiếp theo của dự án hầm đèo Cả và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các công trình ngầm khác. Các nhà thiết kế, nhà thầu và chuyên gia giám sát nên phối hợp chặt chẽ để triển khai hiệu quả.