Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng, đặc biệt tại các thành phố lớn như Hà Nội, việc xử lý nước thải sinh hoạt và nước mưa trở thành vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, các công trình bể ngầm chứa nước thải và nước mưa có dung tích lớn ngày càng được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu hạ tầng đô thị hiện đại. Tuy nhiên, việc thi công các hố đào sâu để xây dựng bể ngầm gặp nhiều thách thức về ổn định địa kỹ thuật, đặc biệt trên nền đất yếu và trong điều kiện có tầng chứa nước ngầm.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp ổn định hố đào cho bể xử lý nước tại khu đô thị Bắc An Khánh – Hà Nội, nhằm làm sáng tỏ các vấn đề tính toán thiết kế và thi công giữa hai giải pháp tường cừ thép và giếng chìm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hố đào sâu trên nền đất yếu tại khu vực Bắc An Khánh, với mục tiêu đề xuất giải pháp ổn định hợp lý, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế trong thi công bể ngầm dung tích lớn.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ qua việc góp phần xây dựng quy trình, quy phạm kỹ thuật làm cơ sở pháp lý cho các dự án xây dựng bể ngầm, đồng thời giảm thiểu rủi ro sự cố trong thi công hố đào sâu. Các số liệu thực tế từ các công trình ngầm trên thế giới và Việt Nam cho thấy chiều sâu hố đào có thể lên đến 20-30m, với nhiều tầng hầm, đòi hỏi giải pháp kỹ thuật tối ưu để đảm bảo ổn định và an toàn công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về áp lực đất và nước tác dụng lên tường chắn, bao gồm:

  • Lý thuyết áp lực đất Rankine: Phân biệt áp lực đất chủ động, bị động và tĩnh, với hệ số áp lực được xác định theo góc ma sát trong của đất. Áp lực chủ động là lực nhỏ nhất khi tường dịch chuyển ra ngoài, áp lực bị động là lực lớn nhất khi tường dịch chuyển vào trong khối đất.

  • Lý thuyết ứng suất hiệu quả và ứng suất tổng: Áp dụng để tính toán áp lực đất và nước ngầm tác động lên tường chắn, trong đó trọng lượng đất bão hòa và trọng lượng nước được sử dụng để xác định áp lực tổng hợp.

  • Mô hình tường chắn cứng và mềm: Phân tích sự khác biệt về biến dạng và ứng suất giữa tường cứng (chuyển vị tịnh tiến, xoay) và tường mềm (biến dạng uốn), ảnh hưởng đến phân bố áp lực đất.

Các khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động, bị động, áp lực nước ngầm, lực ngang của khối đất, và các loại tường chắn như tường cừ thép, tường liên tục trong đất, giếng chìm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu khảo sát địa chất khu vực Bắc An Khánh, bao gồm các thông số cơ lý đất nền và điều kiện thủy văn. Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích áp lực đất và nước: Sử dụng các công thức lý thuyết để tính toán áp lực tác dụng lên tường chắn và thành giếng chìm.

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Geostudio: Đánh giá ổn định thấm, trượt và biến dạng của hố đào dưới tác động của áp lực đất và nước ngầm.

  • Tính toán giếng chìm bằng phần mềm VBA: Phân tích khả năng chịu lực và ổn định của giếng chìm trong quá trình thi công.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình tính toán và phân tích kỹ thuật dựa trên số liệu thực địa và các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các giải pháp kỹ thuật phổ biến và phù hợp với điều kiện địa chất khu vực nghiên cứu. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn, tập trung vào giai đoạn khảo sát, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Áp lực đất và nước tác động lên tường chắn: Kết quả tính toán cho thấy áp lực đất chủ động lên tường cừ thép dao động trong khoảng 20-35 kPa tùy theo chiều sâu và đặc tính đất, trong khi áp lực bị động có thể lên đến 60-80 kPa. Áp lực nước ngầm làm tăng tổng áp lực lên tường khoảng 15-25%, đặc biệt trong các lớp đất bão hòa nước.

  2. So sánh hiệu quả hai giải pháp tường cừ và giếng chìm: Giếng chìm giảm thiểu tối đa công tác đào đất và không cần chống giữ thành hố đào, giúp giảm chi phí và rủi ro biến dạng đất nền. Tường cừ thép phù hợp với các hố đào có chiều sâu dưới 10m và điều kiện đất ổn định hơn. Tỷ lệ chuyển vị tường cừ trong mô phỏng là khoảng 5-8 mm, trong khi giếng chìm có chuyển vị rất nhỏ, dưới 2 mm.

  3. Ảnh hưởng của nước ngầm và hiện tượng bục đáy: Nước ngầm có áp lực cao gây ra hiện tượng bục đáy hố đào, làm mất ổn định nền móng. Việc hạ mực nước ngầm và sử dụng móng giếng chìm hơi ép giúp kiểm soát hiệu quả hiện tượng này, giảm nguy cơ sụt lún và trượt đất.

  4. Tính khả thi thi công và an toàn công trình: Giải pháp giếng chìm cho phép thi công trong điều kiện địa chất phức tạp và khu vực chật hẹp, giảm thiểu tác động động lực lên công trình lân cận. Tường cừ cần kết hợp hệ thống neo và thanh chống để đảm bảo ổn định, đặc biệt khi chiều sâu hố đào lớn.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng và tính toán được minh họa qua biểu đồ phân bố áp lực đất theo chiều sâu và bảng so sánh chuyển vị giữa các giải pháp. Nguyên nhân chính của sự khác biệt hiệu quả giữa hai giải pháp là do cơ chế chịu lực và cách thức thi công khác nhau. Giếng chìm tận dụng trọng lượng bản thân và áp lực khí nén để giữ ổn định, trong khi tường cừ phụ thuộc vào hệ thống chống đỡ và neo giữ.

So sánh với các nghiên cứu trên thế giới, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng giếng chìm cho các công trình ngầm có kích thước lớn và điều kiện địa chất phức tạp. Ở Việt Nam, việc áp dụng giếng chìm còn hạn chế do chi phí và yêu cầu kỹ thuật cao, nhưng nghiên cứu này góp phần làm rõ tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là giúp các nhà thiết kế và thi công lựa chọn giải pháp phù hợp, giảm thiểu rủi ro sự cố như sụt lún, bục đáy, và ngập nước tầng hầm, đồng thời tối ưu chi phí và tiến độ thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp giếng chìm hơi ép cho bể ngầm dung tích lớn: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu giảm thiểu công tác đào đất và tăng độ an toàn thi công, thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và thi công. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu xây dựng và tư vấn thiết kế.

  2. Tăng cường hệ thống quan trắc và giám sát chuyển vị tường chắn: Động từ "lắp đặt" hệ thống cảm biến đo lực và chuyển vị nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, đảm bảo an toàn công trình. Thời gian triển khai trong suốt quá trình thi công, chủ thể là chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

  3. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng kết hợp với tường liên tục trong đất: Động từ "gia cố" nền đất để tăng cường khả năng chịu lực và giảm biến dạng, áp dụng trước khi thi công hố đào sâu. Chủ thể là đơn vị thi công nền móng, thời gian thực hiện trước giai đoạn đào đất.

  4. Thiết kế hệ thống thoát nước và hạ mực nước ngầm hiệu quả: Động từ "thiết lập" hệ thống bơm và rãnh thoát nước nhằm kiểm soát áp lực nước ngầm, giảm nguy cơ bục đáy và ngập úng. Chủ thể là đơn vị thiết kế hạ tầng kỹ thuật, thời gian thực hiện đồng thời với thi công hố đào.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và hạ tầng đô thị: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn giải pháp ổn định hố đào phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu công trình.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng tầng hầm và bể ngầm: Tham khảo các phương pháp thi công, kỹ thuật giám sát và xử lý sự cố trong quá trình đào hố móng sâu.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật và tư vấn giám sát công trình: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá ổn định công trình, đề xuất biện pháp gia cố và kiểm soát rủi ro.

  4. Các nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý xây dựng: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và quy trình thi công an toàn, từ đó xây dựng quy chuẩn và chính sách quản lý phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải lựa chọn giữa tường cừ và giếng chìm trong thi công bể ngầm?
    Hai giải pháp có cơ chế chịu lực và thi công khác nhau. Tường cừ phù hợp với hố đào nông và đất ổn định, còn giếng chìm thích hợp với hố đào sâu, nền đất yếu và điều kiện phức tạp, giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí.

  2. Áp lực nước ngầm ảnh hưởng thế nào đến ổn định hố đào?
    Áp lực nước ngầm làm tăng tổng áp lực lên tường chắn và đáy hố đào, có thể gây bục đáy và mất ổn định. Việc hạ mực nước và sử dụng móng giếng chìm hơi ép giúp kiểm soát áp lực này hiệu quả.

  3. Phần mềm Geostudio được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Geostudio mô phỏng ổn định thấm, trượt và biến dạng của hố đào dưới tác động của áp lực đất và nước, giúp đánh giá an toàn và hiệu quả các giải pháp kỹ thuật.

  4. Giếng chìm hơi ép có ưu điểm gì so với giếng chìm thông thường?
    Giếng chìm hơi ép tạo khoang làm việc khô ráo nhờ áp suất khí nén, giảm nguy cơ nước ngấm vào hố đào, tăng an toàn và hiệu quả thi công trong điều kiện tầng chứa nước phức tạp.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu rủi ro sự cố trong thi công hố đào sâu?
    Cần kết hợp thiết kế kỹ thuật chính xác, gia cố nền đất, kiểm soát nước ngầm, giám sát chuyển vị và áp lực tường chắn liên tục, đồng thời lựa chọn giải pháp thi công phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Luận văn đã làm rõ các vấn đề áp lực đất và nước tác động lên tường chắn và thành giếng chìm trong thi công bể ngầm tại khu đô thị Bắc An Khánh.
  • So sánh hai giải pháp tường cừ thép và giếng chìm cho thấy giếng chìm phù hợp hơn với hố đào sâu và nền đất yếu, giảm thiểu rủi ro và chi phí thi công.
  • Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Geostudio và VBA trong phân tích ổn định và tính toán kỹ thuật, nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý thi công nhằm đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu quả kinh tế cho công trình bể ngầm dung tích lớn.
  • Khuyến nghị triển khai nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng công nghệ thi công hiện đại và giám sát tự động để nâng cao chất lượng công trình.

Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế, thử nghiệm thi công và hoàn thiện quy trình kỹ thuật. Đề nghị các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực địa kỹ thuật, xây dựng công trình ngầm tiếp tục phát triển và cập nhật các giải pháp mới nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển đô thị bền vững.

Hành động ngay: Các đơn vị thiết kế và thi công nên xem xét áp dụng giải pháp giếng chìm hơi ép trong các dự án bể ngầm sâu để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.