Tổng quan nghiên cứu

Dự án cải tạo kênh Lò Gốm — Tân Hóa, khởi công từ năm 2011, là một trong những công trình trọng điểm nhằm cải thiện hệ thống thoát nước và chống ngập cho thành phố Hồ Chí Minh. Trong đó, hạng mục trạm bơm PS2 đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải. Kích thước hố đào trạm bơm là 26m x 18m x 11m, với địa tầng phức tạp gồm nhiều lớp đất khác nhau, từ đất san lấp đến bùn sét và cát pha. Tuy nhiên, trong quá trình thi công, hệ khung giằng chống của hố đào đã bị biến dạng và mất ổn định, dẫn đến sự cố sụp hố đào hoàn toàn, gây thiệt hại về tài sản và tiềm ẩn nguy cơ an toàn lao động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích nguyên nhân gây mất ổn định hố đào trạm bơm PS2, từ đó đề xuất các phương pháp thiết kế và thi công phù hợp nhằm khắc phục sự cố và ngăn ngừa các sự cố tương tự trong tương lai. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá áp lực đất tác động lên hệ tường chắn, phân tích các phương pháp ổn định thành hố đào, đồng thời so sánh hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của các phương án thiết kế thi công.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát địa chất khu vực, phân tích áp lực đất theo các lý thuyết Mohr-Coulomb, Rankine, và sử dụng phần mềm mô phỏng Plaxis 2D để đánh giá ứng suất và biến dạng của hệ tường chắn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao an toàn thi công công trình ngầm, giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa do sự cố hố đào.

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 ổn định thành hố đào, bao gồm:

  • Lý thuyết Mohr-Coulomb: Mô hình ứng suất và giới hạn chịu lực của đất, xác định áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên tường chắn.
  • Lý thuyết Rankine: Phân loại áp lực đất thành áp lực đất tĩnh, chủ động và bị động, với các công thức tính toán áp lực đất theo chiều sâu và đặc tính đất.
  • Mô hình dầm trên nền đàn hồi (Winkler): Mô phỏng sự làm việc đồng thời của tường chắn và đất nền bằng hệ lò xo đàn hồi, giúp xác định ứng suất và chuyển vị của tường chắn.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (Phần mềm Plaxis 2D): Mô phỏng chi tiết ứng xử của đất và kết cấu tường chắn trong quá trình thi công, đánh giá biến dạng và ứng suất theo từng giai đoạn thi công.
  • Khái niệm áp lực đất chủ động, bị động và tĩnh: Là các trạng thái cân bằng ứng suất đất tác động lên tường chắn trong các điều kiện khác nhau của chuyển vị tường.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: áp lực đất ngang, hệ số áp lực đất chủ động (K_a), hệ số áp lực đất bị động (K_p), áp lực đất theo chiều sâu, và các thông số địa chất như góc ma sát trong (φ), lực dính (c), và trọng lượng thể tích đất (γ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Thu thập và phân tích dữ liệu địa chất: Dữ liệu khảo sát địa chất khu vực trạm bơm PS2 được tổng hợp, bao gồm đặc tính các lớp đất từ mặt đất đến sâu 50m.
  • Phân tích lý thuyết áp lực đất: Áp dụng các công thức tính áp lực đất theo lý thuyết Mohr-Coulomb và Rankine để xác định áp lực tác dụng lên hệ tường chắn.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô hình hóa hệ tường chắn và đất nền, phân tích ứng suất, biến dạng và đánh giá ổn định của hố đào trong các giai đoạn thi công.
  • Phân tích kết cấu thép chịu lực dọc: Tính toán độ bền và ổn định của các thanh chống ngang và cột chịu lực dọc theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • So sánh các phương án thiết kế thi công: Hai phương án thiết kế được đề xuất và so sánh về mặt kỹ thuật và kinh tế để lựa chọn phương án tối ưu.
  • Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2015 đến tháng 6/2016, tập trung vào phân tích sự cố và đề xuất giải pháp cho hố đào trạm bơm PS2.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ dữ liệu khảo sát và thiết kế liên quan đến hố đào trạm bơm PS2, phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các lớp đất và các giai đoạn thi công. Phương pháp phân tích kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng số và đánh giá thực tế nhằm đảm bảo tính chính xác và khả thi của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân mất ổn định hố đào: Qua phân tích, nguyên nhân chính dẫn đến sự cố sụp hố đào là do hệ thống tường cừ Larsen và cây chống không đủ khả năng chịu lực, gây biến dạng lớn và mất ổn định. Sự cố xảy ra khi hệ giằng chống số 4 bị phá hoại, làm chuyển vị nền đất ngoài hố đào vượt quá giới hạn an toàn. Mức chuyển vị vượt quá khoảng 15% so với thiết kế an toàn.

  2. Sai sót trong tính toán thiết kế ban đầu: Đơn vị thi công sử dụng phương pháp giải tích truyền thống với bảng tính tay, không tính toán đầy đủ áp lực đất bị động và các yếu tố địa chất phức tạp, dẫn đến kết quả thiết kế không phù hợp với thực tế công trường. Mô hình Plaxis 2D cho thấy ứng suất tại chân tường vượt quá 20% so với dự kiến ban đầu.

  3. Hiệu quả của phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn: Việc sử dụng phần mềm Plaxis 2D giúp mô phỏng chính xác hơn sự phân bố ứng suất và biến dạng trong quá trình thi công, từ đó đề xuất được các phương án gia cố phù hợp. Mô hình cho thấy phương án tăng cường hệ cây chống và sử dụng cọc khoan nhồi có thể giảm chuyển vị nền đất ngoài hố đào xuống dưới 5%, đảm bảo ổn định.

  4. So sánh hai phương án khắc phục sự cố: Phương án 1 sử dụng tăng cường hệ cây chống hiện hữu với chi phí dự toán khoảng 1,2 tỷ đồng, trong khi phương án 2 thay thế bằng hệ tường vây cọc khoan nhồi có chi phí khoảng 1,8 tỷ đồng. Về kỹ thuật, phương án 2 có độ ổn định cao hơn 30% và giảm thiểu biến dạng tường chắn, tuy nhiên chi phí cao hơn 50%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mất ổn định hố đào chủ yếu do thiết kế chưa tính toán đầy đủ áp lực đất bị động và đặc tính địa chất phức tạp của khu vực. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy phương pháp giải tích truyền thống không phản ánh chính xác ứng suất thực tế, dẫn đến sai lệch trong thiết kế. Việc sử dụng phần mềm Plaxis 2D và Sap2000 giúp đánh giá chi tiết hơn, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế về sự cố hố đào tại Singapore (2004) và Brazil (2007), nguyên nhân tương tự là do thiếu tính toán áp lực đất bị động và kiểm soát chuyển vị nền đất không chặt chẽ. Kết quả nghiên cứu này góp phần bổ sung kinh nghiệm thực tiễn cho các công trình ngầm tại Việt Nam, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp và thi công trong môi trường đô thị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chuyển vị nền đất và ứng suất tường chắn giữa các phương án thiết kế, cũng như bảng tổng hợp chi phí và hiệu quả kỹ thuật của từng phương án. Điều này giúp các nhà quản lý và kỹ sư dễ dàng đánh giá và lựa chọn giải pháp tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường tính toán áp lực đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Áp dụng phần mềm Plaxis 2D hoặc tương đương để mô phỏng chi tiết áp lực đất và biến dạng tường chắn trong quá trình thiết kế, nhằm đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế ban đầu. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật.

  2. Sử dụng hệ tường vây cọc khoan nhồi cho các hố đào sâu và địa chất phức tạp: Phương án này giúp tăng độ ổn định và giảm biến dạng tường chắn, hạn chế rủi ro sụp hố đào. Thời gian áp dụng: trong các dự án mới hoặc cải tạo. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và chủ đầu tư.

  3. Kiểm soát chặt chẽ quá trình thi công và giám sát chuyển vị nền đất: Lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Thời gian áp dụng: suốt quá trình thi công. Chủ thể thực hiện: đơn vị giám sát và quản lý dự án.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế và thi công công trình ngầm: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật thi công hố đào, sử dụng phần mềm mô phỏng và phân tích kết cấu. Thời gian áp dụng: liên tục, định kỳ hàng năm. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về áp lực đất và phương pháp tính toán ổn định hố đào, giúp cải thiện chất lượng thiết kế và giảm thiểu rủi ro sự cố.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát công trình: Các giải pháp thi công và kiểm soát ổn định hố đào được trình bày chi tiết, hỗ trợ trong việc lập kế hoạch thi công và giám sát hiệu quả.

  3. Chuyên gia quản lý dự án xây dựng: Thông tin về chi phí, hiệu quả kỹ thuật và các khuyến nghị giúp quản lý dự án đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và đảm bảo an toàn thi công.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết áp lực đất, mô hình phần tử hữu hạn và các phương pháp phân tích kết cấu trong công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây mất ổn định hố đào trạm bơm PS2 là gì?
    Nguyên nhân chính là do hệ thống tường cừ Larsen và cây chống không đủ khả năng chịu lực, dẫn đến biến dạng lớn và sụp hố đào. Thiết kế ban đầu chưa tính toán đầy đủ áp lực đất bị động và đặc tính địa chất phức tạp.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để phân tích ổn định hố đào trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp giải tích truyền thống và mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 2D để đánh giá ứng suất và biến dạng của hệ tường chắn.

  3. Hai phương án khắc phục sự cố được đề xuất có điểm khác biệt gì?
    Phương án 1 tăng cường hệ cây chống hiện hữu với chi phí thấp hơn, trong khi phương án 2 sử dụng hệ tường vây cọc khoan nhồi có độ ổn định cao hơn nhưng chi phí lớn hơn khoảng 50%.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị nền đất trong quá trình thi công?
    Cần lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất để theo dõi liên tục, phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định và có biện pháp xử lý kịp thời.

  5. Tại sao nên sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế hố đào?
    Phần mềm mô phỏng giúp mô hình hóa chính xác hơn sự phân bố ứng suất và biến dạng trong đất và kết cấu, từ đó đưa ra thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế, giảm thiểu sai sót và rủi ro.

Kết luận

  • Nguyên nhân mất ổn định hố đào trạm bơm PS2 là do hệ cây chống không đủ khả năng chịu lực, gây biến dạng và sụp hố đào.
  • Phương pháp giải tích truyền thống chưa phản ánh chính xác áp lực đất và đặc tính địa chất phức tạp, dẫn đến sai sót trong thiết kế.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng Plaxis 2D giúp đánh giá chi tiết ứng suất và biến dạng, hỗ trợ đề xuất các phương án thiết kế thi công tối ưu.
  • Hai phương án khắc phục sự cố được so sánh về mặt kỹ thuật và kinh tế, trong đó phương án sử dụng tường vây cọc khoan nhồi có độ ổn định cao hơn nhưng chi phí lớn hơn.
  • Khuyến nghị áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế, tăng cường giám sát thi công và đào tạo kỹ sư để nâng cao an toàn và hiệu quả công trình ngầm.

Tiếp theo, các đơn vị thiết kế và thi công nên triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất, đồng thời tổ chức đào tạo nâng cao năng lực chuyên môn cho đội ngũ kỹ sư nhằm đảm bảo thành công cho các dự án công trình ngầm tương lai.