Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống Metro ngày càng trở thành xu hướng tất yếu trong phát triển giao thông đô thị tại các thành phố lớn trên thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển. Tại Việt Nam, với sự gia tăng dân số và mật độ dân cư tập trung cao ở các đô thị như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng hệ thống giao thông ngầm nhằm giảm tải áp lực giao thông đường bộ là rất cấp thiết. Tuy nhiên, việc thi công các công trình ngầm như đường hầm Metro đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật, đặc biệt là ảnh hưởng của quá trình thi công đến đất nền và các công trình lân cận.

Luận văn tập trung nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của hai phương án thi công hầm đơn và hầm đôi lên đất nền và công trình xung quanh, nhằm lựa chọn phương án thi công tối ưu, đảm bảo an toàn kết cấu và giảm thiểu biến dạng đất nền. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng và phân tích tại TP. Hồ Chí Minh, với dữ liệu địa chất và điều kiện thi công thực tế. Mục tiêu cụ thể là xác định chiều sâu chôn hầm hợp lý, đánh giá mức độ lún bề mặt và nội lực trong vỏ hầm, từ đó đề xuất phương án thi công phù hợp cho khu vực đô thị đông dân cư.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình, giảm thiểu rủi ro biến dạng đất nền và hư hỏng công trình lân cận, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả thi công và quản lý dự án xây dựng hạ tầng giao thông ngầm tại các thành phố lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về tương tác kết cấu ngầm và đất nền, trong đó trọng tâm là lực kháng đàn hồi và biến dạng đất nền do thi công hầm gây ra. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Thuyết biến dạng chung: Xem đất đá quanh hầm là môi trường biến dạng tuyến tính, áp dụng các phương pháp đàn hồi để phân tích ứng suất và biến dạng trong đất và kết cấu hầm.

  • Mô hình Winkler (biến dạng cục bộ): Mô hình này giả định quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và chuyển vị, sử dụng hệ số lực kháng đàn hồi K để mô tả phản lực đất nền lên kết cấu hầm.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số lực kháng đàn hồi, biến dạng lún mặt đất, góc giới hạn vùng biến dạng, và các tham số mô tả đường cong biến dạng (độ nghiêng, độ cong, vận tốc lún). Ngoài ra, luận văn cũng sử dụng các mô hình phân tích số như mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng quá trình thi công và tương tác đất - kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu địa chất thực tế tại TP. Hồ Chí Minh, kết hợp với các thông số vật liệu vỏ hầm và đất nền được xác định qua thí nghiệm và bảng tra tiêu chuẩn. Phần mềm Plaxis 2D và 3D được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công hầm đơn và hầm đôi theo mô hình Mohr-Coulomb, phân tích độ lún đất nền và chuyển vị công trình lân cận.

Cỡ mẫu mô hình bao gồm các mô hình 2D và 3D với kích thước và điều kiện biên phù hợp, lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn nhằm mô phỏng chính xác sự tương tác phức tạp giữa kết cấu hầm và đất nền. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2016 đến tháng 12/2016, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và tổng hợp báo cáo.

Phương pháp so sánh được áp dụng để đánh giá sự khác biệt về độ lún, chuyển vị ngang, nội lực trong vỏ hầm giữa hai phương án thi công hầm đơn và hầm đôi, từ đó đưa ra nhận định về tính khả thi và ưu nhược điểm của từng phương án.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ lún công trình lân cận do thi công hầm đôi lớn hơn hầm đơn: Mô phỏng 3D cho thấy độ lún tối đa trên công trình lân cận do thi công hầm đôi là khoảng 1.3 mm, trong khi mô hình 2D cho giá trị lớn hơn, khoảng 16.6 mm. Tuy nhiên, cả hai giá trị đều nằm trong giới hạn an toàn, không ảnh hưởng đến kết cấu công trình.

  2. Độ lún bề mặt của hầm đôi nhỏ hơn hầm đơn: Mặc dù bề ngang ảnh hưởng của hầm đôi lớn hơn, nhưng giá trị độ lún bề mặt lại nhỏ hơn so với hầm đơn, cho thấy sự phân bố biến dạng đất nền khác biệt giữa hai phương án.

  3. Nội lực trong vỏ hầm của phương án hầm đôi nhỏ hơn hầm đơn: Kết quả phân tích cho thấy lực dọc và mômen uốn trong vỏ hầm hầm đôi thấp hơn, góp phần giảm nguy cơ hư hỏng kết cấu.

  4. Thời gian thi công hầm đôi dài hơn nhưng kiểm soát ảnh hưởng tốt hơn: Mặc dù hầm đôi có trình tự thi công phức tạp và kéo dài hơn, nhưng trong điều kiện đô thị đông dân cư cần kiểm soát tối đa ảnh hưởng đến công trình lân cận, phương án hầm đôi được đánh giá là hợp lý hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt về độ lún và nội lực giữa hai phương án là do cấu trúc và kích thước mặt cắt hầm. Hầm đôi với hai ống riêng biệt giúp phân tán ứng suất và giảm biến dạng tập trung, trong khi hầm đơn có mặt cắt lớn hơn gây biến dạng đất nền lớn hơn tại một số vị trí.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng thi công hầm Metro tại các thành phố lớn như London, Singapore, và Leningrad, nơi mà độ lún mặt đất thường không vượt quá 20 mm và được kiểm soát chặt chẽ bằng công nghệ thi công hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ lún bề mặt và nội lực vỏ hầm giữa hai phương án, cũng như bảng tổng hợp các giá trị chuyển vị tại các điểm quan trọng trên công trình lân cận, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu thế của phương án hầm đôi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ưu tiên lựa chọn phương án thi công hầm đôi trong khu vực đô thị đông dân cư: Động từ hành động là "áp dụng", mục tiêu giảm thiểu độ lún và ảnh hưởng đến công trình lân cận, thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  2. Tăng cường giám sát và kiểm soát biến dạng đất nền trong quá trình thi công: Thực hiện đo đạc định kỳ độ lún và chuyển vị, sử dụng công nghệ cảm biến hiện đại, chủ thể thực hiện là nhà thầu và đơn vị tư vấn giám sát.

  3. Tối ưu hóa chiều sâu chôn hầm dựa trên kết quả mô phỏng để giảm thiểu biến dạng: Áp dụng mô hình phân tích FEM trong giai đoạn thiết kế chi tiết, chủ thể là các kỹ sư thiết kế và tư vấn.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ thi công và quản lý dự án: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ thi công hầm hiện đại, phương pháp kiểm soát biến dạng, nhằm đảm bảo thi công an toàn và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nắm bắt các phương pháp phân tích biến dạng đất nền và lựa chọn phương án thi công phù hợp, áp dụng trong thiết kế hầm Metro và các công trình ngầm khác.

  2. Nhà thầu thi công hầm Metro và công trình ngầm: Hiểu rõ ảnh hưởng của các phương án thi công đến đất nền và công trình lân cận, từ đó điều chỉnh quy trình thi công nhằm giảm thiểu rủi ro.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng hạ tầng giao thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch giám sát biến dạng đất nền, đảm bảo an toàn công trình trong suốt quá trình thi công.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tham khảo các lý thuyết, mô hình phân tích và phương pháp mô phỏng hiện đại, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương án thi công hầm đôi có ưu điểm gì so với hầm đơn?
    Phương án hầm đôi giúp giảm nội lực trong vỏ hầm và kiểm soát biến dạng đất nền tốt hơn, mặc dù thời gian thi công dài hơn. Ví dụ, độ lún tối đa do hầm đôi gây ra chỉ khoảng 1.3 mm trong mô hình 3D, thấp hơn nhiều so với mức có thể gây hư hỏng công trình.

  2. Độ lún đất nền do thi công hầm có ảnh hưởng lớn đến công trình lân cận không?
    Theo mô phỏng, độ lún tối đa do thi công hầm Metro thường không vượt quá 20 mm, nằm trong giới hạn an toàn cho kết cấu công trình hiện hữu, do đó ảnh hưởng là có thể kiểm soát được nếu áp dụng biện pháp thi công phù hợp.

  3. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 2D và 3D được dùng để mô phỏng quá trình thi công hầm, tính toán chuyển vị đất nền và nội lực trong vỏ hầm dựa trên mô hình Mohr-Coulomb, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của từng phương án thi công.

  4. Chiều sâu chôn hầm ảnh hưởng thế nào đến biến dạng đất nền?
    Chiều sâu chôn hầm càng lớn thì độ lún mặt đất thường tăng lên nhưng tốc độ lún giảm, do đó cần xác định chiều sâu hợp lý để cân bằng giữa an toàn kết cấu và chi phí thi công.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng thi công hầm đến công trình lân cận?
    Có thể áp dụng các biện pháp như thi công hầm đôi, kiểm soát áp lực gương đào, sử dụng công nghệ khiên đào cân bằng áp lực đất, giám sát biến dạng đất nền liên tục và điều chỉnh quy trình thi công kịp thời.

Kết luận

  • Độ lún do thi công hầm đôi lớn hơn hầm đơn nhưng vẫn nằm trong giới hạn an toàn, không gây ảnh hưởng đến kết cấu công trình lân cận.
  • Độ lún bề mặt và nội lực trong vỏ hầm của phương án hầm đôi thấp hơn hầm đơn, cho thấy ưu thế về kiểm soát biến dạng và an toàn kết cấu.
  • Phương án hầm đôi phù hợp với điều kiện đô thị đông dân cư, cần kiểm soát tối đa ảnh hưởng thi công đến công trình hiện hữu.
  • Mô hình phân tích số sử dụng Plaxis 2D và 3D là công cụ hiệu quả để đánh giá và lựa chọn phương án thi công tối ưu.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của dạng mặt cắt hầm và các phương pháp thi công khác nhằm hoàn thiện giải pháp kỹ thuật cho công trình Metro tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công các dự án Metro tại TP. Hồ Chí Minh, đồng thời phát triển các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ thi công hầm ngầm.