Tổng quan luận án
Xây dựng hệ thống giao thông công cộng khối lượng lớn, đặc biệt là đường sắt đô thị (metro) đi ngầm, là nhu cầu tất yếu tại các đô thị lớn nhằm giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông, quá tải hạ tầng và ô nhiễm môi trường. Theo các số liệu khảo sát được trình bày trong luận án, năm 2013 Hà Nội ghi nhận 57 điểm ùn tắc và Thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận 50 điểm ùn tắc. Giai đoạn từ năm 2008 đến thời điểm nghiên cứu, toàn quốc xảy ra 1.379 vụ ùn tắc kéo dài trên 1 giờ, trong đó Hà Nội chiếm 336 vụ (24,4%) và Thành phố Hồ Chí Minh chiếm 227 vụ (16,5%). Về hạ tầng nút giao, Hà Nội có 3.888 nút giao (36 nút khác mức, 207 nút đèn tín hiệu), Thành phố Hồ Chí Minh có 4.306 nút giao (hơn 648 nút đèn tín hiệu). Theo quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị đã được phê duyệt, Hà Nội định hướng xây dựng 8 tuyến và Thành phố Hồ Chí Minh xây dựng 6 tuyến metro.
Trong điều kiện đô thị có mật độ dân cư cao, quỹ đất hạn chế và nhiều công trình kiến trúc hiện hữu, phương pháp thi công đào hở (cut-and-cover) hoặc đào mỏ truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về giải phóng mặt bằng, gây cản trở giao thông hoặc tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định địa tầng. Việc áp dụng công nghệ tổ hợp máy khoan đào hầm (TBM - Tunnel Boring Machine) cho phép khắc phục cơ bản các trở ngại trên. Tuy nhiên, quá trình đào hầm bằng TBM vẫn gây ra hiện tượng mất mát thể tích (hướng tâm và tại gương đào), dẫn đến lún bề mặt đất và biến dạng nền móng các công trình lân cận.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: các phương pháp phân tích số (như phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH) phụ thuộc lớn vào hệ số mất mát thể tích ($V_{loss}$), nhưng đại lượng này trước đây chủ yếu được giả định theo kinh nghiệm thi công mà chưa có công thức xác định cụ thể. Đồng thời, các công thức thực nghiệm dự báo lún bề mặt kinh điển trên thế giới chưa được kiểm chứng, hiệu chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất và công nghệ thi công hầm TBM tại Thành phố Hồ Chí Minh.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung:
- Xây dựng công thức tính hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$ nhằm hoàn thiện phương pháp tính phần tử hữu hạn (PTHH) để đánh giá tác động của việc thi công đường hầm metro đến công trình trên mặt đất.
- So sánh các giá trị lún bề mặt tính bằng các công thức thực nghiệm đã công bố với số liệu quan trắc thực tế tại đoạn tuyến ngầm từ Ga Nhà hát Thành phố đến Ga Ba Son thuộc Tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên; từ đó đề xuất các công thức thực nghiệm tính toán các đại lượng lún mặt đất ($S_{max}$, $i$, $V_{loss}$) phản ánh quy luật lún trong điều kiện thi công bằng TBM tại Thành phố Hồ Chí Minh.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng lún mặt đất và ảnh hưởng của quá trình thi công hầm metro bằng TBM đến các công trình bề mặt tại Thành phố Hồ Chí Minh.
- Phạm vi nghiên cứu: Đoạn tuyến ngầm từ Ga Bến Thành đến Ga Ba Son thuộc Dự án xây dựng tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, Thành phố Hồ Chí Minh.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án tổng thuật lịch sử phát triển của công nghệ khiên đào và TBM từ ý tưởng ban đầu của Brunel (1818), công trình hầm qua sông Thames (1825–1843, dài 458 m, mặt cắt 6,8 m x 11,4 m), khiên tròn của Barlow (1869, đường kính 2,21 m), giải pháp phun vữa áp lực đuôi khiên của Greathead, ứng dụng khiên khí nén tại London (1874, đường kính 3,12 m), hầm sông giữa Mỹ và Canada (1880–1890, đường kính 6,4 m, dài hơn 1.800 m), sự phát triển tại Nhật Bản (hơn 2.000 bộ khiên đào) và Trung Quốc (Bắc Kinh năm 1957; Thượng Hải năm 1963 và 1984; tuyến Metro số 1 Thượng Hải và Quảng Châu).
Tác giả điểm lại các sự cố sụt lún công trình ngầm trên thế giới:
- Sự cố kéo dài tuyến U1 tại München, Đức (1994): Sập gương đào do lớp đá phấn (Mergel) mỏng và xuất hiện khe nứt thấm nước, tạo phễu lún sụt trên mặt đường làm rơi 1 xe buýt và 3 hành khách tử vong.
- Sự cố hầm metro Đài Bắc, Đài Loan (1994–1995): Sập lở hầm do chất lượng các khối bê tông nén ép làm đệm kích không đảm bảo độ kín nước.
- Sự cố hầm MRT Singapore (ngày 20/04/2004): Hố đào sâu 33 m, rộng 15 m bị sập với phạm vi 100 m x 130 m, sâu 15 m do thiết kế sai mối nối thanh chống thép, phân tích PTHH thiếu chính xác và hệ thống quan trắc, kiểm định chưa đạt yêu cầu.
- Sự cố tuyến metro Namma tại Bengaluru, Ấn Độ (tháng 08 và ngày 30/09/2021): Hố sụt trên đường Tannery cách ga Venkateshpura UG 100 m và hiện tượng bùn trào tại Shivajinagar.
- Sự cố tuyến Metro số 6 tại Sao Paulo, Brazil (ngày 01/02/2022): Ngập lụt đường hầm đang đào gây sập một phần đường cao tốc Marginal Tiete.
Về đánh giá biến dạng và hư hỏng công trình do lún, luận án tổng hợp nghiên cứu của Burland & Wroth (1974, 1975) và Burland cùng các đồng nghiệp (1977, 1995), trong đó định nghĩa 9 thông số biến dạng công trình (lún tuyệt đối, lún tương đối $S_v$, góc quay/độ dốc, biến dạng góc, độ võng tương đối, tỷ lệ độ võng $DR = \Delta/L$, độ nghiêng, góc quay tương đối, biến dạng ngang trung bình $\epsilon_h = \Delta L / L$) và phân loại hư hỏng thành 3 cấp độ: kiến trúc, chức năng, phá hủy kết cấu; ngưỡng xuất hiện vết nứt là độ nghiêng 1/250, vết nứt thấy rõ khi độ nghiêng đạt 1/100 hoặc tỷ lệ độ võng đạt 1/250.
Về quan trắc hố đào và nền móng, luận án nêu nghiên cứu của Christian Moormann (2004) dựa trên 530 công trình hố đào sâu trong đất yếu để đề xuất giá trị cảnh báo chuyển dịch; nghiên cứu của Hwang, Za-Chieh Moh và Wang (2007) cùng Taha (2005) về biến động chân ống đo nghiêng Inclinometer. Trong nước, các nghiên cứu tiêu biểu gồm tiêu chuẩn TCVN 3972:1985 về trắc địa công trình, nghiên cứu quy trình quan trắc của Trần Khánh (1991, đề tài 46A-05-01) và tối ưu hóa lưới quan trắc biến dạng trên máy tính của Nguyễn Quang Phúc (2006).
Vị trí của luận án: Kế thừa các mô hình lý thuyết và bán kinh nghiệm quốc tế để giải quyết khoảng trống về xác định định lượng hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$ và xây dựng hệ thống công thức thực nghiệm tính lún chuyên biệt cho điều kiện địa chất đô thị Thành phố Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng hệ thống cơ sở lý thuyết bao gồm phương pháp giải tích và phương pháp bán kinh nghiệm:
- Phương pháp lý thuyết giải tích:
- Sagaseta (1987): Lời giải biến dạng trong bán không gian đàn hồi đẳng hướng, không nén được và không thoát nước.
- Verruijt & Booker (1996): Tổng quát hóa phương pháp Sagaseta cho đất có hệ số Poisson $\nu$ bất kỳ và xét đến ảnh hưởng của độ méo hình học đường hầm (ovalisation $\delta$) theo phương trình chuyển vị thẳng đứng $U_z$ và chuyển vị ngang $U_x$.
- Lee et al. (1992), Rowe & Lee (1992), Lo & Rowe (1982), Lo et al. (1990): Khái niệm khoảng hở vật lý $G = G_P + u_{3D}^* + \omega$, trong đó $G_P$ là khoảng hở cơ học đuôi khiên, $u_{3D}^*$ là biến dạng đàn hồi dẻo tại gương đào, $k$ là hệ số sức kháng cắt ($k = 0,7 \div 0,9$ với đất sét cứng đến mềm; $k = 1$ với đất sét yếu), và $\omega = \min(0,6G_P; 1/3 U_i)$.
- Loganathan & Poulos (1998): Điều chỉnh công thức Verruijt & Booker theo điều kiện biên hình bầu dục đỉnh hầm, xác định góc giới hạn vùng chuyển dịch $\beta = 45^\circ + \varphi/2$ đối với đất cát ($\beta = 45^\circ$ đối với đất sét) và hệ số áp lực đất tĩnh $k_0 = \nu / (1-\nu)$.
- Phương pháp kinh nghiệm và bán kinh nghiệm:
- Macklin & Field (1999): Xác định mối quan hệ mất mát thể tích $V_L = V_{L%} \cdot (\pi D^2 / 4)$, ghi nhận 70% biến dạng lún xảy ra sau khi đuôi khiên vượt qua trong quá trình lắp vỏ và ép vữa.
- Hệ số ổn định gương đào $N = (\sigma_z - \sigma_t)/s_u$ theo Broms & Bennermark (1967), Mair (1981), O'Reilly (1988), Wei-I Chou & Antonio Bobet (2002).
- Phương pháp Peck (1969) và Schmidt (1974): Mô tả hình dạng máng lún mặt đất theo quy luật phân phối chuẩn Gauss:
$$S = S_{max} \exp\left(-\frac{x^2}{2i^2}\right)$$
Trong đó $S$ là độ lún tại khoảng cách ngang $x$ tính từ tim hầm, $S_{max}$ là độ lún lớn nhất trên trục hầm, và $i$ là thông số bề rộng máng lún (khoảng cách từ điểm uốn đến trục hầm).
Luận án sử dụng phối hợp các phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp định lượng và thống kê: Thu thập, xử lý chuỗi số liệu quan trắc chuyển vị bề mặt, áp lực bơm vữa ép sau vỏ hầm ($p_2$) từ 4 cảm biến (sensors) tại buồng khoan TBM dọc tuyến ngầm Metro số 1 Thành phố Hồ Chí Minh; sử dụng phương pháp phân tích tương quan và xác suất thống kê để thiết lập các biểu thức toán học.
- Phương pháp số: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cải tiến nhằm phân tích tác động tương hỗ giữa ống hầm TBM, nền đất nhiều lớp và các loại kết cấu móng (móng nông, móng cọc) của công trình hiện hữu trên bề mặt khi thi công một ống hầm và hai ống hầm song song.
- Nguồn tư liệu/dữ liệu: Hồ sơ khảo sát địa chất công trình, nhật ký thi công khoan đào TBM, các phiếu khảo sát áp lực vữa bơm và số liệu quan trắc lún mặt đất tại đoạn tuyến ngầm Ga Bến Thành – Ga Ba Son (từ Km 1+500 đến Km 0+850).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan các vấn đề liên quan đến đề tài
Chương 1 trình bày tổng quan mạng lưới đường sắt đô thị trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích công nghệ khiên đào TBM, các dạng mất mát thể tích và cơ chế phát sinh lún mặt đất.
Tác giả hệ thống hóa quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội đến năm 2020 theo Bảng 1.1:
| TT |
Tên tuyến |
Chiều dài dự kiến (km) |
Hệ thống |
| 1 |
Yên Viên – Ngọc Hồi |
24,60 |
Tàu điện trên cao có sử dụng các làn đường sắt |
| 2 |
Ga Hà Nội – Hà Đông |
12,60 |
Tàu điện hoặc Metro trên cao |
| 3 |
Voi Phục – Cầu Giấy – Cầu Diễn |
8,00 |
Tàu điện hoặc Metro trên cao |
| 4 |
Ga Hà Nội – Nội Bài |
21,60 |
Tàu điện hoặc Metro trên cao có sử dụng ĐS Nam Thăng Long – Tang Mi |
| 5 |
Ga Giáp Bát – Nam Thăng Long |
18,90 |
Tàu điện hoặc Metro trên cao |
| 6 |
KS Daewoo – Láng – Hòa Lạc |
32,10 |
Tàu điện hoặc Metro trên cao |
| 7 |
Bưởi – Đông Anh – Sóc Sơn |
23,90 |
Liên quan đến sự phát triển khu Nam Thăng Long |
| 8 |
Cổ Bi – Kim Nỗ |
25,50 |
Liên quan đến sự phát triển khu Nam Thăng Long |
Đối với Thành phố Hồ Chí Minh, quy hoạch gồm 6 tuyến metro: Tuyến 1 (Bến Thành – Suối Tiên, 19,7 km), Tuyến 2 (Ngã tư An Sương – Thủ Thiêm, 19 km), Tuyến 3 (QL13 – Bến xe Miền Đông – Bến xe Miền Tây – Tân Kiên, 24 km), Tuyến 4 (Cầu Bến Cót – Gò Vấp – Nguyễn Văn Linh, 24 km), Tuyến 5 (Cầu Sài Gòn – Bến xe Cần Giuộc, 17 km) và Tuyến 6 (Âu Cơ – Lũy Bán Bích, 6 km).
Về công nghệ, tác giả phân loại TBM thành các nhóm chính (khiên đào cơ giới hóa MS gồm MS-S cân bằng bằng dung dịch vữa bentonite, MS-E cân bằng áp lực đất EPB, MS-A dùng khí nén và MS-M hỗn hợp mixshield; khiên bán cơ giới PMS và khiên thủ công NMS).
Chương 1 chỉ rõ quá trình biến dạng mặt đất do đào TBM diễn ra qua 3 giai đoạn:
- Giai đoạn mặt đất vồng lên hoặc lún xuống phía trước khiên do thay đổi trạng thái ứng suất nguyên thủy và áp lực gương.
- Giai đoạn lún thi công xuất hiện khi khiên tiến lên và vỏ hầm thoát khỏi đuôi khiên (do tồn tại khe hở thi công giữa vỏ hầm và thành đất), thường diễn ra và hoàn thành trong khoảng 1–2 tháng.
- Giai đoạn lún cố kết (gồm cố kết chính do tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng và cố kết thứ sinh do từ biến của khối đất bị xáo động).
Nguyên nhân gây lún gồm 5 yếu tố: thay đổi trạng thái ứng suất ban đầu của địa tầng, thay đổi mực nước ngầm, phun vữa bịt khe hở đuôi khiên không đầy đủ, biến dạng đàn dẻo của vỏ hầm bê tông và quá trình cố kết của nền đất sau xáo động.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết dự tính lún mặt đất khi thi công ống hầm tròn
Chương 2 phân tích chi tiết các mô hình giải tích và công thức thực nghiệm xác định các thông số lún bề mặt ($S_{max}$, $i$, $V_L$).
Bảng 2.1 trong luận án tổng hợp các công thức xác định độ lún lớn nhất $S_{max}$ dựa trên phân phối Gauss từ các nghiên cứu quốc tế:
| Tên tác giả |
Công thức tính $S_{max}$ |
Ghi chú |
| Peck (1969) |
$S_{max} = \frac{V_L \cdot D^2}{2,5 \cdot i}$ hoặc $S_{max} = \frac{V_L}{\sqrt{2\pi} \cdot i}$ |
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế hầm tròn |
| Atkinson & Potts (1979) |
$S_{max} = \frac{V_L \cdot (D/2)^2}{2 \cdot i}$ |
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế và thí nghiệm mô hình |
| New & O’Reilly (1982) |
$S_{max} = \frac{V_L \cdot D^2}{8 \cdot i}$ |
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường hầm tại Anh |
| Mair (1993) |
$S_{max} = \frac{V_L \cdot R^2}{1,25 \cdot i}$ |
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế và thí nghiệm ly tâm |
| Attewell (1977) |
$S_{max} = \frac{V_L \cdot (D/2)^2}{2,5 \cdot i}$ |
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường hầm tại Anh |
| Clough & Schmidt (1981) |
$S_{max} = \frac{V_L \cdot D^2}{i}$ |
Dựa trên số liệu quan trắc thực tế đường hầm tại Mỹ |
Chương này cũng tổng hợp các nghiên cứu về hệ số ổn định gương đào $N$, kết luận rằng vùng ảnh hưởng lún ngang thông thường phân bố trong phạm vi 3 đến 4 lần bán kính xung quanh trục hầm, và biên dưới của vùng chuyển dịch đứng bằng 0 nằm ở độ sâu khoảng 2 lần đường kính phía dưới đáy hầm hoặc tại vị trí gặp lớp đất cứng.
Chương 3: Quan trắc - So sánh kết quả quan trắc lún bề mặt dọc đoạn tuyến ngầm dự án xây dựng tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên với kết quả tính toán theo lý thuyết
Chương 3 trình bày hệ thống thiết bị và quy trình quan trắc chuyển dịch mặt đất dọc theo đoạn tuyến ngầm từ Ga Bến Thành đến Ga Ba Son (đặc biệt là đoạn khu gian Ga Ba Son – Ga Nhà hát Thành phố, các mặt cắt điển hình như Km 1+400).
Tác giả tiến hành tính toán độ lún bề mặt theo các công thức lý thuyết của Peck (1969), New & O’Reilly (1982), Mair (1993), Attewell (1977), Clough & Schmidt (1981), Atkinson & Potts (1979) và đối chiếu với dữ liệu đo đạc thực tế tại hiện trường. Kết quả so sánh cho thấy:
- Các công thức lý thuyết quốc tế có sự phân tán lớn khi áp dụng vào điều kiện địa chất Thành phố Hồ Chí Minh.
- Sai số trung bình của độ lún lớn nhất giữa kết quả tính toán lý thuyết và số liệu quan trắc thực tế tại hiện trường (Bảng 3.6) dao động ở mức đáng kể do các công thức cũ chưa phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của áp lực bơm vữa sau đuôi khiên và các thông số vận hành máy TBM đặc thù.
Chương 4: Phát triển nghiên cứu dự đoán lún bề mặt và xây dựng các công thức thực nghiệm dự tính độ lún bề mặt
Chương 4 thực hiện phân tích tương quan thống kê đa biến từ cơ sở dữ liệu quan trắc thực địa và kết quả mô phỏng số, từ đó đề xuất hệ thống 3 công thức thực nghiệm:
-
Đề xuất công thức tính hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$ ($V_L$):
- Phân tích tương quan giữa $V_{loss}$ với áp lực bơm vữa chèn khe hở sau vỏ hầm ($p_2$), độ sâu đặt hầm ($Z$) và dữ liệu ghi nhận từ 4 cảm biến buồng đào TBM (Hình 4.14, 4.15, 4.16).
- Thiết lập công thức thực nghiệm tính $V_{loss}$ phản ánh tác động đồng thời của áp lực vữa bơm và chiều sâu hầm. Kết quả so sánh tại Bảng 4.6 và Hình 4.16 cho thấy giá trị $V_{loss}$ tính theo công thức đề xuất có sự tương thích cao với giá trị $V_{loss}$ suy biến từ quan trắc thực tế.
-
Đề xuất công thức tính độ lún lớn nhất $S_{max}$:
- Phân tích mối quan hệ giữa $S_{max}$ với đường kính hầm $D$, chiều sâu đặt hầm $Z$, tỷ lệ hình học $D/Z$ và hệ số $V_{loss}$ thông qua mô hình PTHH kết hợp xác suất thống kê (Hình 4.18, 4.19, 4.21, 4.22, 4.23).
- Kiểm chứng công thức đề xuất bằng tập dữ liệu quan trắc trên đoạn tuyến từ Km 1+500 đến Km 0+850 (Bảng 4.10). Sai số trung bình giữa kết quả tính toán bằng công thức $S_{max}$ đề xuất và số liệu quan trắc (Bảng 4.12, 4.13) giảm rõ rệt so với các công thức kinh điển.
-
Đề xuất công thức tính thông số bề rộng máng lún $i$:
- Thiết lập công thức thực nghiệm xác định $i$ thông qua các tương quan không thứ nguyên giữa $i$ với tỷ số chiều sâu trên đường kính ($Z/D$) và tỷ số áp lực bơm vữa trên chiều sâu ($P/Z$) (Hình 4.25, 4.26; Bảng 4.14).
- Kết hợp ba thông số đề xuất ($S_{max}$, $V_{loss}$, $i$) để dựng đường cong phân bố lún bề mặt ngang. Biểu đồ so sánh tại Hình 4.27 khẳng định đường cong lún thực nghiệm đề xuất tiệm cận sát với đường cong quan trắc thực tế hơn các đường cong tính theo lý thuyết Peck, Mair hay New & O’Reilly.
Chương 5: Nghiên cứu bằng phương pháp PTHH ảnh hưởng thi công hầm bằng TBM đến công trình trên bề mặt trong đô thị
Chương 5 ứng dụng phương pháp mô hình bài toán PTHH cải tiến, tích hợp đại lượng $V_{loss}$ đã được xác lập từ thực nghiệm cùng các thông số cơ lý của đất nền (Bảng 5.2), vỏ hầm và móng công trình (Bảng 5.3).
Luận án phân tích biến dạng và chuyển vị của móng công trình bề mặt trong các trường hợp:
- Thi công một ống hầm (ống hầm bên trái): Xác định chuyển vị thẳng đứng, chuyển vị ngang và góc xoay của móng nông (Bảng 5.4, Hình 5.10) và móng cọc (Hình 5.17).
- Thi công hai ống hầm song song cùng cao độ: Phân tích sự bất đối xứng của máng lún tổng hợp và gia tăng chuyển vị đáy móng nông (Bảng 5.5, Hình 5.7, 5.9, 5.11) và móng cọc (Bảng 5.7, Hình 5.13, 5.15, 5.18). Quá trình thi công ống hầm thứ hai làm tăng đáng kể độ lún và độ nghiêng lệch của các công trình nằm trong vùng giao thoa của hai máng lún.
Trên cơ sở tiêu chuẩn phân loại hư hỏng tường và biến dạng kéo giới hạn của Burland & Wroth (1975) (Bảng 5.8, 5.9, 5.10), luận án phân chia phạm vi ảnh hưởng của hầm TBM đến công trình thành 4 phân vùng:
- Phân vùng A, B, C: Vùng chịu ảnh hưởng rõ rệt, cần các biện pháp gia cố hoặc điều chỉnh thông số vận hành máy đào.
- Phân vùng D: Vùng ít chịu ảnh hưởng.
Tác giả đề xuất 2 sơ đồ công nghệ thi công TBM nhằm kiểm soát biến dạng bề mặt:
- Sơ đồ tính toán và xác lập trước áp lực vữa bơm ép sau vỏ hầm ($p_2$) phù hợp với điều kiện địa chất và tải trọng móng công trình bên trên trước khi tổ chức đào.
- Sơ đồ kiểm soát và điều chỉnh động áp lực vữa bơm trong quá trình vận hành TBM dựa trên hệ thống quan trắc chuyển vị mặt đất thời gian thực.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Xây dựng thành công công thức thực nghiệm tính toán hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$ gắn liền với áp lực bơm vữa sau vỏ hầm $p_2$ và độ sâu đặt hầm $Z$. Đây là đóng góp giải quyết hạn chế của các nghiên cứu trước đây vốn chỉ giả định $V_{loss}$ theo kinh nghiệm.
- Xây dựng bộ công thức thực nghiệm xác định độ lún lớn nhất $S_{max}$, thông số bề rộng máng lún $i$ và thiết lập đường cong lún bề mặt phù hợp với điều kiện địa chất mềm yếu và công nghệ thi công TBM tại Thành phố Hồ Chí Minh.
- Hoàn thiện phương pháp mô hình bài toán phần tử hữu hạn cải tiến thông qua việc tích hợp giá trị $V_{loss}$ tính toán thực nghiệm vào bài toán tương tác đất – kết cấu – công trình lân cận.
Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật:
- Đề xuất 2 sơ đồ công nghệ thi công hầm bằng TBM cho phép tính toán xác định trước áp lực vữa bơm và điều chỉnh kịp thời áp lực bơm vữa trong quá trình thi công dựa trên số liệu quan trắc lún mặt đất.
- Cung cấp các thông số định lượng về chuyển vị thẳng đứng, chuyển vị ngang và góc xoay đáy móng (móng nông, móng cọc) khi thi công hầm đơn và hầm đôi song song, phục vụ công tác thẩm tra an toàn kết cấu và thiết kế bảo vệ công trình lân cận.
- Kiến nghị quy trình giám sát và thiết lập các ngưỡng cảnh báo lún cho các dự án xây dựng đường sắt đô thị đi ngầm tiếp theo tại Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Dữ liệu quan trắc thực nghiệm được thu thập chủ yếu trên đoạn tuyến ngầm từ Ga Bến Thành đến Ga Ba Son thuộc Dự án Tuyến Metro số 1 Thành phố Hồ Chí Minh, với một cấu hình đường kính và loại máy TBM cân bằng áp lực đất cụ thể.
- Mô hình mô phỏng số phần tử hữu hạn chủ yếu xem xét bài toán phẳng (2D) đối với mặt cắt ngang điển hình của hai ống hầm song song cùng cao độ.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng thu thập số liệu quan trắc tại các tuyến metro khác có điều kiện địa chất và chiều sâu hầm biến đổi (như Tuyến Metro số 2 Thành phố Hồ Chí Minh hoặc các tuyến metro ngầm tại Hà Nội) để kiểm chứng và mở rộng phạm vi áp dụng của các công thức thực nghiệm đề xuất.
- Phát triển mô hình số không gian 3D chi tiết mô phỏng tương tác động giữa TBM, quá trình bơm vữa đa điểm và các hệ móng cọc phức tạp tại các nút giao ga ngầm đô thị.
Giá trị tham khảo
Luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho các đối tượng và lĩnh vực sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Công trình ngầm, Cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình: Tham khảo phương pháp xây dựng công thức thực nghiệm từ dữ liệu quan trắc và phương pháp mô hình hóa PTHH cải tiến.
- Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu thi công hầm TBM: Sử dụng bộ công thức tính $V_{loss}$, $S_{max}$, $i$ tại Chương 4 để dự tính nhanh vùng lún sụt, xác định áp lực vữa bơm sau vỏ hầm và bố trí hệ thống mốc quan trắc hợp lý.
- Các cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án đường sắt đô thị (tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh): Tham khảo 2 sơ đồ công nghệ kiểm soát áp lực vữa bơm và phân vùng ảnh hưởng công trình lân cận (Vùng A, B, C, D) tại Chương 5 để lập tiêu chuẩn kiểm soát rủi ro trong thi công hầm ngầm đô thị.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án đặt ra những mục tiêu nghiên cứu cụ thể nào?
Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu chính: (1) Xây dựng công thức tính hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$ nhằm hoàn thiện phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (PTHH) phục vụ đánh giá tác động của hầm metro đến công trình bề mặt; (2) So sánh kết quả tính toán lún theo các công thức kinh nghiệm quốc tế với số liệu quan trắc tại đoạn ngầm Tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên để đề xuất các công thức thực nghiệm tính $S_{max}$, $i$, $V_{loss}$ phản ánh quy luật lún tại Thành phố Hồ Chí Minh.
2. Quá trình biến dạng mặt đất khi thi công bằng khiên đào TBM gồm những giai đoạn nào và do nguyên nhân gì?
Biến dạng mặt đất gồm 3 giai đoạn: (1) Mặt đất vồng lên hoặc lún xuống phía trước khiên; (2) Lún thi công khi vỏ hầm thoát ly đuôi khiên (hoàn thành trong 1–2 tháng); (3) Lún cố kết chính và cố kết thứ sinh do tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng và từ biến của đất. Nguyên nhân chính gồm thay đổi ứng suất ban đầu, thay đổi mực nước ngầm, vữa lấp khe hở đuôi khiên không đầy đủ, biến dạng vỏ hầm và xáo động gây cố kết nền đất.
3. Luận án đã so sánh số liệu quan trắc thực tế với công thức tính độ lún lớn nhất ($S_{max}$) của những tác giả nào?
Luận án đã tổng hợp và đối chiếu số liệu quan trắc với công thức tính $S_{max}$ của 6 tác giả/nhóm tác giả quốc tế: Peck (1969), Atkinson & Potts (1979), New & O’Reilly (1982), Mair (1993), Attewell (1977), và Clough & Schmidt (1981).
4. Luận án xây dựng công thức tính hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$ dựa trên những thông số nào?
Công thức thực nghiệm $V_{loss}$ được xây dựng dựa trên mối quan hệ tương quan giữa hệ số mất mát thể tích với áp lực bơm vữa sau vỏ hầm ($p_2$), độ sâu đặt hầm ($Z$) và số liệu đo đạc trực tiếp từ 4 cảm biến (sensors) tại buồng khoan máy TBM kết hợp phiếu khảo sát áp lực vữa bơm hiện trường.
5. Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật nào nhằm kiểm soát ảnh hưởng lún của TBM đến công trình bề mặt?
Luận án đề xuất 2 sơ đồ công nghệ: (1) Tính toán xác định trước áp lực vữa bơm phù hợp với điều kiện địa chất trước khi đào; (2) Theo dõi quan trắc lún mặt đất thời gian thực để điều chỉnh áp lực bơm vữa ngay trong quá trình thi công. Đồng thời, luận án phân vùng ảnh hưởng (vùng A, B, C ảnh hưởng rõ rệt và vùng D ít ảnh hưởng) dựa trên các ngưỡng biến dạng giới hạn của Burland & Wroth (1975).
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thạch Bích đã giải quyết bài toán dự báo và kiểm soát lún mặt đất trong quá trình thi công hầm metro bằng công nghệ TBM tại Thành phố Hồ Chí Minh. Bằng việc kết hợp giữa lý thuyết cơ học đất, mô phỏng số PTHH cải tiến và chuỗi dữ liệu quan trắc thực tế tại đoạn ngầm Tuyến Metro số 1 Bến Thành – Suối Tiên, công trình đã xây dựng thành công các công thức thực nghiệm xác định hệ số mất mát thể tích $V_{loss}$, độ lún cực đại $S_{max}$ và thông số bề rộng máng lún $i$. Các kết quả phân tích chuyển vị móng nông, móng cọc và 2 sơ đồ công nghệ điều khiển áp lực vữa bơm đề xuất trong luận án là cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác thiết kế, thi công và quản lý an toàn cho các công trình đường ngầm đô thị tại Việt Nam.
