Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng với nhiều tầng hầm ngày càng tăng. Theo ước tính, các công trình này thường có mặt bằng thi công chật hẹp, liền kề các công trình hiện hữu, đồng thời chịu tải trọng lớn và yêu cầu khắt khe về kỹ thuật cũng như an toàn. Việc thiết kế hệ thống tường vây tầng hầm đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo ổn định hố đào sâu, hạn chế chuyển vị đất nền và bảo vệ các công trình lân cận.

Luận văn tập trung nghiên cứu ổn định hố đào sâu sử dụng tường vây chu vi tròn (C-Dwall) tại công trình VNPT Hà Nội với đường kính tầng hầm 54m và chiều sâu đào 13m. Mục tiêu cụ thể gồm phân tích ứng xử kết cấu C-Dwall, mô phỏng tính toán bằng phần mềm sai phân hữu hạn PAROI2009, so sánh ưu thế với tường vây thẳng truyền thống, đồng thời đánh giá tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, thi công và phân tích ổn định hố đào trong giai đoạn 2005-2013, chủ yếu tại các công trình ngầm đô thị.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu cho các công trình ngầm sâu, giúp rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí vật liệu thép và đảm bảo an toàn công trình. Các chỉ số như chiều dày tường, nội lực, chuyển vị được phân tích chi tiết nhằm tối ưu hóa thiết kế và thi công trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Ứng suất vòng trong tường vây chu vi tròn (C-Dwall): Tường vây được cấu tạo từ các tấm panel hình chữ nhật liên kết bằng gioăng cản nước tạo thành hình tròn, chịu lực nén vòng giúp tự ổn định dưới áp lực đất. Chiều dày hữu hiệu của tường được xác định bằng công thức $t = T - 2d$ với $T$ là chiều dày lý thuyết và $d$ là độ lệch do thi công.

  • Độ cứng vòng của tường và dầm vòng: Độ cứng vòng tỷ lệ thuận với chiều dày hữu hiệu và module đàn hồi bê tông, tỷ lệ nghịch với bán kính tường. Độ cứng vòng ảnh hưởng đến phân bố áp lực đất, moment và lực cắt trong tường.

  • Moment và lực cắt theo phương đứng và ngang: Moment uốn và lực cắt phát sinh do biến dạng tường không đồng đều theo chiều sâu và do tải trọng phân bố không đều quanh chu vi. Mô hình tính toán giả định tường vây như dầm đàn hồi chịu tải phân bố, sử dụng phương trình vi phân bậc 4 để mô phỏng ứng xử.

  • Ổn định kết cấu và kiểm tra mất ổn định: Sử dụng công thức của Giáo sư Courbon để đánh giá khả năng mất ổn định do ứng suất vòng quá lớn, đồng thời xem xét sức kháng đất bị động và áp lực thủy lực gây bùng nền, xói ngầm.

  • Độ lún đất nền xung quanh: Đánh giá dựa trên mối quan hệ giữa chuyển vị ngang tường và độ lún đứng đất nền, phân tích theo hai trường hợp tường console và tường có thanh chống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực tế từ công trình VNPT Hà Nội, các thông số địa chất, kết cấu tường vây, và dữ liệu quan trắc chuyển vị, ứng suất trong quá trình thi công.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm PAROI2009 áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để mô phỏng ứng xử tường vây chu vi tròn và tường vây thẳng truyền thống. Phần mềm mô hình đất nền theo mô hình đàn hồi - dẻo với điều kiện phá hoại Mohr-Coulomb.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tính toán dựa trên mặt cắt và các đoạn panel điển hình quanh chu vi tường vây, lựa chọn các mặt cắt đại diện để phân tích nội lực, chuyển vị và ứng suất vòng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

  • Kiểm tra và giám sát: Kết hợp dữ liệu quan trắc thực tế như đo chuyển vị bằng inclinometer, đo ứng suất bằng strain gauges, và quan trắc mực nước ngầm để đối chiếu với kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chiều dày và kích thước tường vây: Kết quả mô phỏng cho thấy chiều dày hữu hiệu và chiều sâu tường vây chu vi tròn nhỏ hơn so với tường vây thẳng truyền thống. Ví dụ, chiều dày tường vây chu vi tròn có thể giảm khoảng 10-15% so với tường thẳng để đảm bảo ổn định.

  2. Nội lực và chuyển vị: Nội lực (moment và lực cắt) trong tường vây chu vi tròn thấp hơn từ 20-30% so với tường vây thẳng. Chuyển vị ngang tối đa của C-Dwall tại bước đào sâu nhất chỉ khoảng 5-7mm, trong khi tường thẳng có thể lên đến 10-12mm.

  3. Tiết kiệm vật liệu thép: Do nội lực giảm, lượng thép cần thiết bố trí trong tường vây chu vi tròn giảm khoảng 25-30% so với tường vây thẳng, góp phần giảm chi phí và thời gian thi công.

  4. Ổn định hố đào: Tường vây chu vi tròn tự ổn định dưới tác dụng ứng suất vòng, không cần hệ thống chống đỡ như giằng chống, neo đất hay sàn tầng hầm trong suốt quá trình thi công. Điều này giúp rút ngắn thời gian thi công theo biện pháp Bottom-Up.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ưu thế tường vây chu vi tròn là hiệu ứng vòng xuyến tạo ra ứng suất nén vòng giúp giảm moment và lực cắt trong tường. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng tại công trình VNPT Hà Nội tương đồng với các công trình như Harlay Car Park (Pháp) hay International Financial Centre (Hồng Kông), khẳng định tính khả thi của giải pháp.

Việc giảm chiều dày và nội lực không chỉ tiết kiệm vật liệu mà còn giảm áp lực lên đất nền, hạn chế chuyển vị và lún nền xung quanh. Dữ liệu quan trắc thực tế cho thấy chuyển vị tường và độ lún đất nền đều nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn cho công trình và các công trình lân cận.

Tuy nhiên, hạn chế của C-Dwall là đường kính giếng không nên vượt quá 90m, không phù hợp với địa hình có độ dốc lớn hoặc tải trọng phân bố không đều, do đó cần cân nhắc kỹ trong thiết kế. Ngoài ra, bê tông sử dụng cho tường vây có cường độ giới hạn (khoảng 45 MPa) cũng ảnh hưởng đến chiều sâu đào tối đa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh nội lực và chuyển vị giữa hai loại tường, bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và hình ảnh mô phỏng ứng suất vòng trong tường vây.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi tường vây chu vi tròn cho công trình ngầm đô thị: Khuyến nghị các chủ đầu tư và tư vấn thiết kế ưu tiên sử dụng C-Dwall cho các hố đào sâu có đường kính dưới 90m, đặc biệt tại các khu vực đô thị có mặt bằng thi công hạn chế nhằm tối ưu chi phí và tiến độ.

  2. Nâng cao chất lượng bê tông và kiểm soát thi công: Đề xuất sử dụng bê tông có cường độ đạt chuẩn 45 MPa, kiểm soát nghiêm ngặt độ sụt và độ chảy để đảm bảo chất lượng tường vây, đồng thời áp dụng hệ thống cốp pha CWS và gioăng ngăn nước để tăng độ kín khít và ổn định.

  3. Tăng cường công tác quan trắc và giám sát: Thực hiện đo chuyển vị, ứng suất và mực nước ngầm liên tục trong suốt quá trình thi công để phát hiện sớm các bất thường, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

  4. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng phần mềm mô phỏng: Khuyến khích phát triển các mô hình phần tử hữu hạn 3D để tính toán chính xác hơn, đặc biệt trong các trường hợp có lỗ mở hoặc địa hình phức tạp, nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, thi công và quản lý chất lượng tường vây chu vi tròn cho kỹ sư, cán bộ thi công nhằm nâng cao năng lực và phổ biến giải pháp kỹ thuật này tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết, giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp tường vây phù hợp, tối ưu hóa kết cấu và vật liệu.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Thông tin về biện pháp thi công, quản lý chất lượng và xử lý sự cố thực tế hỗ trợ nhà thầu nâng cao hiệu quả thi công, giảm rủi ro và đảm bảo tiến độ.

  3. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ ưu nhược điểm, tiềm năng ứng dụng của tường vây chu vi tròn giúp chủ đầu tư đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, kiểm soát chi phí và chất lượng công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu sâu về ổn định hố đào, mô phỏng kết cấu và phát triển công nghệ thi công tường vây hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tường vây chu vi tròn khác gì so với tường vây thẳng truyền thống?
    Tường vây chu vi tròn tạo ra ứng suất vòng giúp tự ổn định, không cần hệ thống chống đỡ như giằng hay neo đất, giảm nội lực và chuyển vị, từ đó tiết kiệm vật liệu và thời gian thi công.

  2. Phần mềm PAROI2009 có ưu điểm gì trong tính toán tường vây?
    PAROI2009 sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn mô phỏng chính xác ứng xử đàn hồi - dẻo của đất và tường vây, cho phép đánh giá nội lực, chuyển vị và ứng suất vòng trong tường vây chu vi tròn và tường thẳng.

  3. Hạn chế lớn nhất của tường vây chu vi tròn là gì?
    Đường kính giếng không nên vượt quá 90m, không phù hợp với địa hình có độ dốc lớn hoặc tải trọng phân bố không đều, đồng thời bê tông có cường độ giới hạn ảnh hưởng đến chiều sâu đào.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng bê tông trong thi công tường vây?
    Kiểm tra độ sụt (200±20mm), độ chảy (550-650mm), lấy mẫu thử cường độ theo tiêu chuẩn, sử dụng ống tremie để đổ bê tông tránh nhiễm bẩn với dung dịch polymer, và ghi nhật ký biểu đồ đổ bê tông.

  5. Tường vây chu vi tròn có thể ứng dụng ở đâu tại Việt Nam?
    Phù hợp cho các công trình ngầm như hệ thống xe điện ngầm, bãi đậu xe ngầm, công trình xử lý nước thải, bồn chứa dầu tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh.

Kết luận

  • Tường vây chu vi tròn (C-Dwall) là giải pháp kỹ thuật hiệu quả cho hố đào sâu, giảm nội lực, chuyển vị và tiết kiệm vật liệu so với tường vây thẳng truyền thống.
  • Mô phỏng bằng phần mềm PAROI2009 cho thấy C-Dwall có chiều dày và chiều sâu tường nhỏ hơn, nội lực giảm 20-30%, chuyển vị tối đa dưới 7mm.
  • Biện pháp thi công sử dụng hệ thống cốp pha CWS và dung dịch polymer đảm bảo chất lượng và ổn định hố đào trong suốt quá trình thi công.
  • Hạn chế về đường kính giếng và điều kiện địa chất cần được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế và ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu mô hình phần tử hữu hạn 3D và tăng cường đào tạo, chuyển giao công nghệ để phát triển ứng dụng C-Dwall tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để tối ưu hóa thiết kế hố đào sâu, đồng thời triển khai các chương trình đào tạo và giám sát thi công nhằm nâng cao chất lượng công trình ngầm đô thị.