Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng giao thông và thủy điện tại Việt Nam, việc xây dựng các công trình hầm qua núi ngày càng trở nên phổ biến và cấp thiết. Theo thống kê, nhiều dự án hầm giao thông như hầm Hải Vân dài 6,28 km, hầm Đèo Ngang dài 495 m, cùng hàng loạt hầm thủy lợi trong các nhà máy thủy điện với chiều dài từ 300 m đến 3.000 m đã được triển khai trong giai đoạn 2009-2017. Việc thi công các công trình này đòi hỏi giải pháp kỹ thuật tối ưu, trong đó cốp pha di động đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng, tiến độ và hiệu quả kinh tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng cốp pha di động trong xây dựng hầm qua núi tại Việt Nam, với mục tiêu phân tích các dạng cốp pha di động phổ biến, xây dựng phương pháp tính toán thiết kế hệ cốp pha phù hợp và áp dụng cho công trình thực tế. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các dạng cốp pha di động thi công hầm có tiết diện dạng vòm, sử dụng phương pháp đào kín bằng khoan nổ, trong các công trình hầm giao thông và thủy điện tại Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí và tăng độ an toàn cho các dự án hầm qua núi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, đặc biệt là:

  • Lý thuyết kết cấu chịu lực của cốp pha di động: Phân tích các thành phần cấu tạo như hệ khung chính, tấm cốp pha, hệ di chuyển và xi lanh điều khiển, đảm bảo tính ổn định, độ bền và độ cứng của hệ cốp pha trong quá trình thi công.
  • Mô hình tính toán tải trọng và tổ hợp tải trọng: Áp dụng các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 4527:1988, TCVN 2737:1995, TCVN 4453:1995) để xác định các loại tải trọng tác dụng lên cốp pha như tải trọng bản thân, tải trọng bê tông, tải trọng người và thiết bị thi công, tải trọng động do đầm rung và chấn động khi đổ bê tông.
  • Mô hình phân tích kết cấu không gian bằng phần mềm Sap2000: Sử dụng phần mềm để mô phỏng và tính toán ứng suất, chuyển vị của hệ cốp pha, từ đó đánh giá khả năng chịu lực và ổn định của kết cấu.

Các khái niệm chính bao gồm: cốp pha di động dạng vòm, tải trọng tác dụng lên cốp pha, tổ hợp tải trọng, kiểm tra bền và ổn định kết cấu, và phương pháp tính toán kết cấu bằng phần mềm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các công trình hầm qua núi tại Việt Nam, tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật trong nước và quốc tế, cùng hồ sơ thiết kế cốp pha của các công ty cơ khí trong nước. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích tổng hợp các dạng cốp pha di động hiện có, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng.
  • Phân tích lý thuyết về kết cấu và tải trọng, xây dựng sơ đồ tính toán thiết kế hệ cốp pha.
  • Phân tích số liệu thực tế từ dự án hầm Phước Tượng (dài 345 m, bề rộng 11,5 m) để lựa chọn kích thước và thiết kế cốp pha phù hợp.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn dự án hầm Phước Tượng làm ví dụ điển hình để áp dụng phương pháp tính toán.
  • Phân tích bằng phần mềm Sap2000: Mô hình hóa kết cấu cốp pha, áp dụng các tổ hợp tải trọng để tính toán ứng suất và chuyển vị.
  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2013 đến 2016, bao gồm khảo sát thực tế, xây dựng phương pháp, tính toán và kiểm nghiệm trên công trình thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân loại và cấu tạo cốp pha di động: Hệ cốp pha di động thi công hầm qua núi gồm các bộ phận chính: hệ di chuyển (bánh xe trên ray), hệ khung chính (chân di chuyển, dầm chính, dầm biên), tấm cốp pha (sườn dọc, sườn ngang, tấm thép), và xi lanh điều khiển. Hệ khung chính dạng cổng kết cấu tổ hợp được ưu tiên sử dụng do khả năng chịu lực tốt và dễ lắp ráp.

  2. Xác định tải trọng và tổ hợp tải trọng: Tải trọng bê tông tác dụng lên cốp pha được xác định với hệ số vượt tải 1,2; tải trọng người và thiết bị là 0,3 tấn/m²; tải trọng động do đầm rung và chấn động khi đổ bê tông được tính với hệ số 1,3. Các tổ hợp tải trọng nguy hiểm được xây dựng theo tiêu chuẩn Việt Nam, đảm bảo tính an toàn và độ chính xác trong thiết kế.

  3. Lựa chọn kích thước cốp pha cho hầm Phước Tượng: Qua tính toán các phương án chiều dài cốp pha từ 9 m đến 12 m và khoảng cách giữa các sườn dọc từ 1,0 m đến 1,5 m, kết quả cho thấy phương án chiều dài 12 m và khoảng cách sườn 1,5 m đạt hiệu quả tối ưu với chỉ số ứng suất lớn nhất khoảng 0,78 (dưới giới hạn cho phép) và chuyển vị lớn nhất khoảng 22,5 mm, đảm bảo độ bền và ổn định kết cấu.

  4. Hiệu quả sử dụng cốp pha di động: Việc sử dụng cốp pha di động giúp rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí nhân công và vật liệu, tăng chất lượng bề mặt bê tông do độ chính xác cao của tấm cốp pha thép. Tuổi thọ của cốp pha đạt khoảng 500-600 lần sử dụng, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho các dự án hầm qua núi.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế và thực tiễn thi công tại Việt Nam, đồng thời tương đồng với các nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới như tại Australia, Italy và Tây Ban Nha. Việc lựa chọn kết cấu khung chính dạng cổng và tấm cốp pha dạng vòm giúp phân bố tải trọng đồng đều, giảm biến dạng và tăng độ ổn định tổng thể. Phân tích tải trọng chi tiết và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Việt Nam đảm bảo an toàn kết cấu trong điều kiện thi công thực tế.

Biểu đồ tải trọng tác dụng lên bề mặt cốp pha (do trọng lượng bê tông, người và thiết bị, đầm rung) minh họa sự phân bố áp lực liên tục và biến đổi theo vị trí, giúp kỹ sư điều chỉnh thiết kế phù hợp. Bảng so sánh các phương án chiều dài cốp pha và khoảng cách sườn dọc cho thấy sự cân bằng giữa hiệu quả thi công và độ bền kết cấu.

Tuy nhiên, nghiên cứu còn giới hạn ở dạng cốp pha di động cho hầm tiết diện vòm, chưa mở rộng cho các dạng tiết diện khác như chữ nhật hoặc tròn. Việc áp dụng phần mềm tính toán kết cấu hiện đại như Sap2000 đã nâng cao độ chính xác và khả năng mô phỏng thực tế, góp phần hoàn thiện phương pháp thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp tính toán thiết kế cốp pha di động: Khuyến nghị các đơn vị thi công và thiết kế công trình hầm qua núi tại Việt Nam áp dụng phương pháp tính toán và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Việt Nam đã xây dựng, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

  2. Phát triển và sản xuất cốp pha di động phù hợp với đặc thù công trình Việt Nam: Các công ty cơ khí nên nghiên cứu thiết kế và chế tạo cốp pha di động dựa trên kết cấu dạng cổng và tấm cốp pha dạng vòm, tối ưu hóa kích thước và vật liệu để giảm chi phí và tăng tuổi thọ sản phẩm.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cốp pha di động: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho công nhân và kỹ sư vận hành hệ cốp pha di động, đảm bảo quy trình lắp đặt, vận hành và bảo trì đúng kỹ thuật, giảm thiểu rủi ro và tai nạn lao động.

  4. Mở rộng nghiên cứu cho các dạng hầm khác: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cốp pha di động cho các dạng hầm có tiết diện chữ nhật hoặc tròn, cũng như áp dụng các công nghệ thi công mới như TBM, NATM để nâng cao hiệu quả thi công.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tới, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý nhà nước để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật riêng cho cốp pha di động thi công hầm tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông và thủy điện: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế cốp pha di động, giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp phù hợp với đặc điểm công trình và điều kiện thi công.

  2. Nhà thầu thi công hầm qua núi: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình thi công, lựa chọn hệ cốp pha phù hợp, nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí và rút ngắn tiến độ.

  3. Các công ty cơ khí chế tạo cốp pha: Hướng dẫn thiết kế, chế tạo hệ cốp pha di động theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đáp ứng yêu cầu chịu lực và tính linh hoạt trong thi công.

  4. Cơ quan quản lý và nghiên cứu khoa học xây dựng: Là tài liệu tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về cốp pha di động trong thi công hầm, đồng thời định hướng nghiên cứu phát triển công nghệ xây dựng công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cốp pha di động là gì và ưu điểm của nó trong thi công hầm?
    Cốp pha di động là hệ cốp pha không tháo rời sau mỗi chu kỳ mà di chuyển sang vị trí mới để tái sử dụng. Ưu điểm gồm rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí nhân công, tăng độ chính xác bề mặt bê tông và tuổi thọ cao (500-600 lần sử dụng).

  2. Phương pháp tính toán tải trọng cho cốp pha di động dựa trên tiêu chuẩn nào?
    Phương pháp dựa trên các tiêu chuẩn Việt Nam như TCVN 4527:1988, TCVN 2737:1995, TCVN 4453:1995, kết hợp với các tiêu chuẩn quốc tế và thực tiễn thi công để xác định tải trọng bản thân, tải trọng bê tông, tải trọng người và thiết bị, tải trọng động do đầm rung và chấn động.

  3. Làm thế nào để lựa chọn chiều dài cốp pha di động phù hợp?
    Chiều dài cốp pha được lựa chọn dựa trên tính toán ứng suất, chuyển vị và tổ hợp tải trọng, đồng thời cân nhắc hiệu quả thi công. Ví dụ, hầm Phước Tượng chọn chiều dài 12 m với khoảng cách sườn dọc 1,5 m để đảm bảo độ bền và ổn định.

  4. Có những dạng cốp pha di động nào phổ biến trong thi công hầm?
    Phổ biến là cốp pha dạng vòm và dạng tiết diện chữ nhật. Cốp pha dạng vòm có khả năng chịu lực tốt hơn do phân bố tải trọng đồng đều, trong khi dạng chữ nhật có không gian sử dụng lớn hơn nhưng chịu lực kém hơn.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để tính toán kết cấu cốp pha di động?
    Phần mềm Sap2000 được sử dụng để mô hình hóa kết cấu không gian phức tạp của cốp pha di động, tính toán ứng suất, chuyển vị và kiểm tra độ bền, ổn định theo các tổ hợp tải trọng thiết kế.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phân tích các dạng cốp pha di động thi công hầm qua núi tại Việt Nam, tập trung vào dạng vòm và phương pháp đào kín bằng khoan nổ.
  • Xây dựng phương pháp tính toán tải trọng và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn Việt Nam, áp dụng phần mềm Sap2000 để mô phỏng và kiểm tra kết cấu cốp pha.
  • Áp dụng phương pháp tính toán cho dự án hầm Phước Tượng, lựa chọn chiều dài cốp pha 12 m và khoảng cách sườn dọc 1,5 m đảm bảo độ bền và ổn định kết cấu.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo, vận hành và đào tạo nhằm nâng cao hiệu quả thi công hầm qua núi sử dụng cốp pha di động.
  • Khuyến nghị mở rộng nghiên cứu cho các dạng hầm khác và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật riêng cho cốp pha di động tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng phương pháp tính toán trong các dự án thực tế, phát triển sản phẩm cốp pha di động phù hợp, đồng thời nghiên cứu mở rộng cho các dạng hầm đa dạng hơn.

Call to action: Các đơn vị thiết kế, thi công và cơ khí chế tạo nên phối hợp nghiên cứu, áp dụng và hoàn thiện công nghệ cốp pha di động để nâng cao chất lượng và hiệu quả các công trình hầm qua núi tại Việt Nam.