Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh là đô thị đặc biệt với mật độ dân cư và phương tiện giao thông dày đặc, đồng thời chịu ảnh hưởng nặng nề bởi biến đổi khí hậu và triều cường. Dự án Cải thiện Môi trường nước Thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2 (2015-2021) được triển khai nhằm giải quyết căn cơ tình trạng ngập úng và ô nhiễm môi trường cho lưu vực kênh Tàu Hũ - Bến Nghé - Đôi - Tẻ với quy mô phục vụ lên tới 3.060 ha, tiếp nối diện tích 910 ha đã hoàn thành ở giai đoạn 1. Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa có lượng mưa trung bình năm đạt 2.016,2 mm, với lượng mưa tập trung chủ yếu vào mùa mưa chiếm tới 90% tổng lượng cả năm.

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi đặt ra là việc xây dựng hệ thống cống bao thu gom nước thải dọc theo trục đường huyết mạch Võ Văn Kiệt (đoạn từ cầu Lò Gốm đến cầu Nguyễn Tri Phương thuộc Quận 5 và Quận 6). Tuyến cống đi qua địa tầng bùn sét yếu ngập nước ngầm, trong khi mặt đường bên trên luôn chịu áp lực giao thông khổng lồ. Nếu áp dụng phương pháp đào mở truyền thống, hệ lụy sẽ là ùn tắc giao thông nghiêm trọng, lún nứt công trình lân cận và ô nhiễm môi trường kéo dài.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung phân tích, hoàn thiện và làm chủ giải pháp thi công cống ngầm đường kính từ D500 mm đến D1800 mm bằng công nghệ khoan kích ngầm tiên tiến của Nhật Bản kết hợp gia cố nền bằng vữa hóa học. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua các chỉ số thực tế: giảm 100% khối lượng đào hở lòng đường chính, kiểm soát độ lún sụt bề mặt mặt đường ở mức an toàn dưới 15 mm, bảo toàn hiện trạng hạ tầng đô thị và nâng cao năng lực thoát nước cho toàn bộ lưu vực trung tâm thành phố.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng ba khung lý thuyết kỹ thuật công trình ngầm chuyên sâu:

  • Lý thuyết cân bằng áp lực mặt cắt bằng dung dịch bùn: Thiết lập cơ chế cân bằng giữa áp lực thủy tĩnh của bùn đặc hoặc bùn loãng với áp lực đất và áp lực nước ngầm tại gương đào (luôn duy trì áp lực trên 0,2 kg/cm2). Dung dịch bùn thâm nhập vào các khe rỗng giữa các hạt đất tạo thành màng chắn bùn không thấm, giữ ổn định tuyệt đối cho gương khoan và thành vách xung quanh.
  • Lý thuyết thẩm thấu và đông cứng vữa hóa học: Áp dụng cơ chế bơm dung dịch Sodium Silicate gốc thủy tinh lỏng kết hợp phụ gia đóng rắn. Quá trình xử lý nền vận hành theo hai pha: pha sơ cấp đông cứng nhanh (5-20 giây) nhằm bịt kín dòng chảy nước ngầm và bao bọc ống khoan, pha thứ cấp đông cứng chậm (40-60 phút) nhằm thẩm thấu sâu vào các vi khe nứt của hạt cát sét, làm tăng lực dính và giảm hệ số thấm của đất.
  • Lý thuyết ma sát tiếp xúc và truyền lực kích thủy lực: Dựa trên nguyên lý công nghệ kích đẩy Suishin Nhật Bản, tính toán lực kích đẩy của hệ thống kích thủy lực công suất 1.500 kN đến 3.000 kN (tương đương 100-200 tấn), kết hợp lớp vữa bôi trơn polymer xung quanh đốt cống bê tông cốt thép để triệt tiêu ma sát thành bên.

Các khái niệm then chốt bao gồm: giếng kích (jacking pit), giếng nhận (receiving pit), cống kích bê tông chuyên dụng (PC pipe), hệ thống tuần hoàn bùn khoan và vữa bôi trơn bentonite.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hồ sơ khảo sát địa chất công trình và biện pháp thi công thực địa của gói thầu G do Liên danh nhà thầu Yasuda - Kolon thực hiện.

  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu khảo sát toàn bộ 30 vị trí giếng kích và giếng nhận (từ DIW1 đến DIW30 và giếng tiếp nhận IE34A) cùng 268 m tuyến cống mẫu D500 và các phân đoạn cống lớn từ D600 đến D1800. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu điển hình theo chuỗi trắc dọc địa chất 6 lớp đất đại diện tại hiện trường (lớp bùn sét nhão dày 1,4-3,3 m, sét dẻo dày 2,2-4 m, á cát dày 5,8-11 m và cát mịn dày hơn 5 m). Chiều sâu mỗi hố khoan thăm dò địa chất đạt trung bình 15 m.
  • Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Sử dụng phương pháp phân tích cơ học đất kết hợp thống kê đối sánh số liệu thực nghiệm đo đạc áp lực kích, áp lực bùn và lưu lượng bơm vữa. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì môi trường thi công ngầm đô thị đòi hỏi sự kiểm soát biến dạng ở độ chính xác cực cao, việc kết hợp giữa tính toán lý thuyết với số liệu quan trắc thực tế là con đường duy nhất để loại bỏ rủi ro xô lệch tuyến ống và bục nước ngầm. Toàn bộ timeline nghiên cứu và theo dõi số liệu kéo dài qua các chu kỳ thi công giai đoạn 2015-2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và phân tích số liệu thi công thực tế trên tuyến đường Võ Văn Kiệt đã mang lại các kết quả then chốt:

  • Phân loại công nghệ khoan kích tối ưu theo đường kính: Đối với cống nhỏ đường kính D500 mm đến D700 mm, công nghệ kích ngầm bằng bùn loãng đạt hiệu quả vượt trội về tốc độ đẩy và khả năng đào thải bùn qua đường ống khép kín. Đối với cống lớn đường kính D800 mm đến D1800 mm, công nghệ bùn đặc tạo ra màng chắn chống thấm vững chắc, giúp giảm 35% lực ma sát tiếp xúc và cho phép thực hiện các đoạn kích cống có cự ly dài hoặc tuyến cong một cách an toàn.
  • Hiệu quả vượt trội của biện pháp gia cố vữa hóa học ống kép: Việc áp dụng phương pháp bơm ống kép hai pha tại cửa hầm giếng kích và giếng nhận với tốc độ bơm 8-16 lít/phút đã gia cường hoàn hảo vùng đất yếu xung quanh. Thể tích vữa bơm thiết kế dao động từ 11,16 m3 (tại hố nhận DIW1 đường kính D500) đến 27,88 m3 (tại các hố giếng D1800 từ DIW27 đến DIW30), giúp nâng cao lực dính kết của đất lên hơn 150% và chặn đứng hoàn toàn hiện tượng sạt lở gương đào khi mở cửa hầm.
  • Kiểm soát độ ổn định nền và lún sụt bề mặt: Nhờ duy trì liên tục áp lực nước bùn ở mức trên 0,2 kg/cm2, hiện tượng mất cân bằng địa tầng được triệt tiêu. Các điểm quan trắc lún trên mặt đường Võ Văn Kiệt cho thấy độ chuyển vị thẳng đứng đều nằm trong phạm vi cho phép dưới 10 mm, không gây nứt vỡ kết cấu áo đường hiện hữu.
  • Hiệu suất thu hồi và tuần hoàn bùn khoan: Hệ thống xử lý bùn thải công suất 1 m3/phút cho phép phân tách cát sét và thu hồi tới 75% lượng dung dịch bentonite tái sử dụng, giúp giảm 60% khối lượng bùn thải cần vận chuyển đi xử lý bên ngoài.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến thành công của giải pháp thi công nằm ở sự kết hợp đồng bộ giữa kỹ thuật khoan kích Suishin và công tác cải tạo đất nền cục bộ. Màng bùn không thấm hình thành trực tiếp tại gương cắt đã ngăn chặn sự thoát nước ngầm từ lớp cát mịn (dày trên 5 m) vào trong lòng cống.

So với các công nghệ kích cống của Đức hay Ý, công nghệ Suishin của Nhật Bản thể hiện tính thích ứng cao hơn trong điều kiện địa chất bùn sét ven kênh Tàu Hũ nhờ thiết bị đầu cắt gọn nhẹ, ít tiêu hao mô-men xoắn và cho phép thi công chính xác trong không gian công trường chật hẹp. Trong thực tế, các dữ liệu về biến thiên lực kích theo chiều dài tuyến và khối lượng vữa hóa học tiêu hao tại 30 vị trí giếng có thể được mô hình hóa trực quan thông qua biểu đồ phân bố tương quan đa biến và đồ thị cột chồng (stacked bar chart), giúp kỹ sư hiện trường dễ dàng theo dõi và điều chỉnh áp lực kích kịp thời theo từng mét cống vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Để nhân rộng và nâng cao hiệu quả thi công công nghệ khoan kích ngầm tại các dự án hạ tầng đô thị tương tự, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất:

  • Chuẩn hóa quy trình gia cố đất cửa hầm bằng vữa hóa học hai pha: Yêu cầu các đơn vị thi công tuân thủ nghiêm ngặt tốc độ bơm phụ gia từ 8-16 lít/phút, khoảng cách bước bơm 0,5 m và tỷ lệ phối trộn thủy tinh lỏng chính xác theo từng loại đất (đất sét tỷ lệ 12-14%, đất cát tỷ lệ 7-24,5%) nhằm đạt mục tiêu ngăn ngừa 100% hiện tượng xì nước ngầm khi tháo cừ thép mở hầm; thực hiện trong 15 ngày trước khi bắt đầu kích cống bởi nhà thầu cơ giới ngầm.
  • Thiết lập hệ thống quan trắc áp lực bùn và chuyển vị tự động 24/7: Lắp đặt các cảm biến đo áp lực nước lỗ rỗng và mốc đo lún bề mặt dọc theo tim tuyến cống để duy trì áp lực buồng đào luôn ổn định trên 0,2 kg/cm2; hướng tới mục tiêu kiểm soát độ lún mặt đường không vượt quá 8 mm; thực hiện xuyên suốt quá trình khoan kích bởi đơn vị tư vấn giám sát độc lập.
  • Tối ưu hóa công tác pha trộn và thu hồi dung dịch bôi trơn: Vận hành trạm trộn bentonite tự động với các chất phụ gia polymer (TG GERU-A, TG GERU-B) theo đúng định mức tiêu chuẩn 1 m3 vữa bôi trơn cho mỗi mét dài ống cống; đặt mục tiêu giảm 40% lực cản ma sát tiếp xúc và nâng tỷ lệ thu hồi bùn sạch lên 80%; chủ thể thực hiện là đội ngũ kỹ thuật vận hành máy kích chính.
  • Ban hành khung định mức kinh tế kỹ thuật chuyên biệt cho công tác khoan ngầm đô thị: Kiến nghị Sở Xây dựng và Sở Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh chủ trì biên soạn bộ đơn giá và định mức chuẩn cho công nghệ kích cống ngầm D500 - D1800 trong giai đoạn 2021-2025, tạo cơ sở pháp lý minh bạch cho công tác lập dự toán và đấu thầu các dự án hạ tầng ngầm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn cao và phù hợp sâu sắc với bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư công trình ngầm và hạ tầng giao thông đô thị: Khai thác chi tiết các thông số kỹ thuật về lực kích thủy lực 1.500-3.000 kN, quy trình tính toán khối lượng vữa hóa học và biện pháp xử lý sự cố trong lòng cống kích.
  • Ban Quản lý Dự án và Chủ đầu tư các công trình thoát nước: Sử dụng làm tài liệu căn cứ để lập phương án thi công tổng thể, so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa đào hở và khoan ngầm, đồng thời kiểm soát tiến độ và an toàn tại các lưu vực đô thị loại đặc biệt.
  • Các nhà thầu thi công xây dựng công trình ngầm: Tham khảo trực tiếp danh mục thiết bị, sơ đồ bố trí giếng kích/giếng nhận, quy trình vận hành cẩu di động 15-60 tấn, công tác đóng nhổ cừ thép và vận hành trạm xử lý bùn thải khép kín.
  • Học viên cao học, giảng viên và nghiên cứu sinh ngành Xây dựng Công trình Giao thông: Tiếp cận nguồn dữ liệu thực chứng chuẩn xác về địa chất ven kênh TP.HCM, làm cơ sở phát triển các mô hình tính toán cơ học đất nâng cao trong môi trường ngầm bão hòa nước.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ khoan kích ngầm Suishin Nhật Bản có ưu điểm gì so với phương pháp đào mở truyền thống? Công nghệ Suishin giúp lắp đặt tuyến cống hoàn chỉnh dưới lòng đất mà không cần đào xới mặt đường, bảo toàn 100% luồng giao thông phía trên đại lộ Võ Văn Kiệt. Phương pháp này triệt tiêu nguy cơ sụt lún công trình ngầm lân cận, giảm thiểu tối đa ô nhiễm tiếng ồn và bụi mịn tại khu dân cư.

Tại sao phải phân chia công nghệ khoan bùn đặc và bùn loãng theo đường kính ống? Khoan bùn loãng áp dụng cho cống nhỏ D500-D700 mm để tối ưu hóa khả năng bơm hút bùn nhanh trong tiết diện hẹp. Trong khi đó, cống lớn D800-D1800 mm sử dụng bùn đặc nhằm tạo màng áp lực vững chắc tại gương đào, chịu được áp lực nước ngầm trên 0,2 kg/cm2 và cho phép kích cống cự ly dài an toàn.

Vai trò chính của việc gia cố vữa hóa học bằng phương pháp ống kép tại miệng hầm là gì? Gia cố vữa hóa học ống kép hai pha giúp làm đông cứng cục bộ vùng đất yếu quanh cửa giếng kích và giếng nhận trong thời gian từ 5 giây đến 60 phút. Quá trình này tạo ra khối chắn địa kỹ thuật vững chắc, ngăn chặn cát chảy và nước ngầm tràn vào giếng khi công nhân tiến hành đục phá cừ thép mở hầm.

Làm cách nào để kiểm soát và triệt tiêu nguy cơ lún sụt mặt đường trong quá trình kích cống? Kỹ sư kiểm soát liên tục áp lực dung dịch bùn luôn cân bằng với áp lực đất và nước ngầm tại đầu khoan, đồng thời bơm vữa chèn lấp đầy ngay lập tức các khoảng rỗng giữa thành ngoài ống cống và đất áo xung quanh, giữ độ biến dạng mặt đường luôn dưới ngưỡng an toàn 10 mm.

Hệ thống xử lý và quản lý bùn thải công trình được vận hành như thế nào? Bùn khoan lẫn đất đá từ đầu máy đào được bơm chuyển về trạm lắng lọc xử lý bùn công suất 1 m3/phút đặt trên mặt đất. Tại đây, thiết bị phân ly sẽ tách đất cát khô để vận chuyển bằng xe ben đến bãi thải quy định, còn dung dịch bentonite sạch được tuần hoàn tái sử dụng tới 75%.

Kết luận

  • Hệ thống hóa hoàn chỉnh quy trình thi công cống thoát nước ngầm từ D500 mm đến D1800 mm bằng công nghệ khoan kích ngầm Suishin Nhật Bản thích ứng hoàn hảo với điều kiện địa chất yếu ven kênh rạch Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Xác lập giải pháp cải tạo nền đất tối ưu bằng phương pháp bơm vữa hóa học ống kép hai pha, giải quyết dứt điểm nguy cơ bục sạt cửa hầm và rò rỉ nước ngầm.
  • Xây dựng bảng tính toán định mức chuẩn xác cho khối lượng vữa hóa học từ 11,16 m3 đến 27,88 m3 và áp lực kích cho 30 vị trí giếng kích/nhận dọc tuyến Võ Văn Kiệt.
  • Đảm bảo an toàn kỹ thuật tuyệt đối, giữ ổn định kết cấu áo đường với độ lún dưới 10 mm, bảo toàn năng lực giao thông trên tuyến trục chính đô thị.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc phục vụ việc hoàn thiện dự án Cải thiện Môi trường nước giai đoạn 2 quy mô 3.060 ha.

Trong giai đoạn tiếp theo, các đơn vị quản lý hạ tầng và nhà thầu cần tiếp tục đẩy mạnh chuyển giao công nghệ, tự động hóa hệ thống đo đạc quan trắc áp lực ngầm và chuẩn hóa bộ định mức xây dựng không đào hở. Luận văn là tài liệu tham khảo kỹ thuật chuẩn mực, kính mời các chuyên gia, kỹ sư và nhà quản lý nghiên cứu áp dụng trực tiếp vào các dự án chỉnh trang đô thị ngầm trong tương lai.