Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ địa chất học của tác giả Nguyễn Văn Vũ, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội (mã số chuyên ngành: 9440201.01, bảo vệ năm 2021 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TSKH Trần Mạnh Liễu và PGS.TS Nguyễn Huy Phương), tập trung giải quyết bài toán đánh giá và dự báo các tương tác địa kỹ thuật bất lợi tại khu vực đô thị mở rộng.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ quá trình đô thị hóa nhanh chóng của Thủ đô Hà Nội sau khi điều chỉnh địa giới hành chính theo Quyết định số 1259/QĐ-TTg ngày 26 tháng 7 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch chung xây dựng Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050. Việc xây dựng hàng loạt khu đô thị, khu công nghiệp, hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm và bề mặt, cùng với hoạt động san lấp mặt bằng và khai thác nước dưới đất quy mô lớn, đã tác động mạnh mẽ đến môi trường địa chất. Sự tương tác phức tạp giữa các công trình nhân tạo với điều kiện địa chất công trình không đồng nhất làm phát sinh hàng loạt dạng tai biến như lún sụt mặt đất, ma sát âm tác động lên móng cọc, mất ổn định hố đào sâu, bục đất đáy móng, sập sạt ngầm và sụt Karst.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các nghiên cứu trước đây tại Hà Nội chủ yếu xem xét các hiện tượng địa chất công trình một cách đơn lẻ, rời rạc cho từng công trình cục bộ hoặc một dạng tai biến riêng biệt, thiếu một khung lý thuyết hệ thống để liên kết tổng thể giữa phụ hệ thống kỹ thuật đô thị, phụ hệ thống môi trường địa chất và môi trường xung quanh; đồng thời chưa có hệ thống bản đồ phân vùng cấu trúc nền và bản đồ dự báo tai biến đồng bộ ở tỷ lệ trung bình (1:50.000 và 1:25.000) phục vụ quy hoạch dài hạn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phương pháp đánh giá, dự báo tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường đô thị, áp dụng cho thành phố Hà Nội.

Để đạt được mục tiêu này, các nội dung nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống Địa - kỹ thuật đô thị, bao gồm cấu trúc, tính chất, hoạt động và trạng thái của hệ thống, các tai biến địa kỹ thuật môi trường;
  2. Nghiên cứu xây dựng phương pháp luận và lựa chọn phương pháp đánh giá và dự báo tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường đô thị;
  3. Nghiên cứu phân tích các đặc điểm địa chất công trình địa hệ và cấu trúc nền địa chất thành phố Hà Nội;
  4. Nghiên cứu tác động từ hệ thống kỹ thuật đến môi trường địa chất và đặc điểm tương tác của hệ thống Địa - Kỹ thuật thành phố Hà Nội;
  5. Đánh giá và dự báo tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường thành phố Hà Nội.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Hệ thống Địa - Kỹ thuật đô thị Hà Nội (hệ thống tương tác giữa hạ tầng đô thị với môi trường địa chất), cấu trúc, tính chất, hoạt động của hệ thống và các tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường tương ứng liên quan.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau:

  • Không gian nghiên cứu: Toàn bộ phạm vi thành phố Hà Nội mở rộng theo ranh giới quy định tại Quyết định số 1259/QĐ-TTg.
  • Chiều sâu nghiên cứu:
    • Đối với vùng trầm tích Đệ tứ: nghiên cứu đến hết tầng cuội sỏi, tương ứng chiều sâu khoảng 50 - 60 m.
    • Đối với vùng đồi núi: nghiên cứu đến hết tầng phong hóa, tương ứng chiều sâu khoảng 20 - 30 m.
    • Đối với các vùng ven rìa có điều kiện địa kỹ thuật môi trường đặc biệt (vùng đá vôi Karst): nghiên cứu đến hết chiều sâu phát triển tai biến, tương ứng khoảng 60 - 70 m.
  • Giới hạn nội dung nghiên cứu: Tập trung vào các tai biến do tải trọng san lấp nền, xây dựng công trình trên mặt, công trình ngầm, khai thác nước dưới đất và tai biến ngoại sinh. Luận án không đi sâu vào các hiện tượng bồi tụ, xói lở bờ sông, xói ngầm phá hoại nền đê (do đã thuộc phạm vi của các đề tài khác) và không nghiên cứu tác động của tải trọng động học hay động đất do hạn chế về nguồn tư liệu và thời gian.

Các kết quả nghiên cứu dẫn đến hai luận điểm bảo vệ:

  1. Môi trường địa chất đô thị Hà Nội ở tỷ lệ 1:50.000 được phân chia theo 2 vùng địa chất công trình, 5 kiểu cấu trúc nền và 18 phụ kiểu thuộc trầm tích Đệ tứ, 5 kiểu cấu trúc nền đá cứng theo các tiêu chí phân chia cấp bậc hệ thống, thể hiện trên bản đồ phân chia cấu trúc nền thành phố Hà Nội phục vụ đánh giá tính nhạy cảm của môi trường địa chất với các tác động từ hệ thống kỹ thuật đô thị và môi trường xung quanh.
  2. Các tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường thành phố Hà Nội phát sinh do tương tác giữa phụ hệ thống kỹ thuật đô thị với môi trường địa chất và môi trường xung quanh, phát triển theo quy luật phân bố không gian và thời gian được phản ánh trên các bản đồ phân bố tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường thành phố Hà Nội, bao gồm: sụt lún mặt đất do các nguyên nhân san lấp nền, tải trọng công trình, khai thác nước dưới đất; các tai biến liên quan đến xây dựng công trình ngầm; hiện tượng ma sát âm; Karst.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân chia theo bình diện quốc tế và thực tiễn nghiên cứu tại Việt Nam đối với các dạng tai biến kỹ thuật môi trường.

Trên thế giới, nghiên cứu đô thị hóa và tai biến môi trường gắn liền với các báo cáo của Liên Hợp Quốc (UNCHS, 1996; UNESCAP, 2005) và Ngân hàng Thế giới. Các nghiên cứu của Mitchell (1997, 1999) chỉ ra sự cần thiết phải quản lý tai biến tích hợp thay vì xử lý các thực thể riêng rẽ. Cơ quan Quản lý Khẩn cấp Liên bang Hoa Kỳ (FEMA, 1997, 1998) đã xây dựng Mạng lưới Thông tin Thiên tai Quốc gia (NDIN). Surjan và Shaw (2003, 2013) tổng kết các yếu tố làm gia tăng tính dễ bị tổn thương tại các đô thị đang phát triển ở châu Á.

Về hiện tượng sụt lún mặt đất do khai thác nước dưới đất, tác giả dẫn chứng các trường hợp thực tế: Venice (Ý) sụt lún nghiêm trọng trong giai đoạn 1930 - 1973 do bơm hút nước công nghiệp tại vùng phụ cận Marghera; Mexico City (Mexico) ghi nhận độ lún lên đến 8 m kể từ năm 1938; Thung lũng San Joaquin (California, Hoa Kỳ) lún tích lũy khoảng 8,5 m với tỷ lệ 60 cm trên mỗi 10 m hạ thấp mực nước ngầm ở Tây Fresno và 40 cm trên 10 m tại Nam Tulare; Tokyo và Osaka (Nhật Bản) ghi nhận mức lún 3 - 4 m trong các năm 1928 - 1943; Bangkok (Thái Lan) và Jakarta (Indonesia) cũng lún nhanh khiến các nhà quản lý phải cân nhắc phương án di dời thủ đô. Về phương diện lý thuyết dự báo lún, các mô hình cố kết thấm bắt nguồn từ nguyên lý ứng suất hữu hiệu của Karl Terzaghi kết hợp mô hình dòng thấm 3D và các phần mềm như GEOSLOPE hay MODFLOW. Nghiên cứu tai biến trượt lở mái dốc được phát triển mạnh tại Nga, Pháp, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc. Vấn đề động đất và hóa lỏng đất nền được phân tích qua các sự kiện lịch sử như động đất Calcutta năm 1737, Lisbon năm 1755, Tokyo năm 1923, Đường Sơn năm 1976, Kobe năm 1995, Sumatra năm 2004, Vấn Xuyên năm 2008, Haiti năm 2010 và Tohoku năm 2011.

Tại Việt Nam, nghiên cứu địa chất đô thị và địa kỹ thuật môi trường được khởi xướng qua các chương trình của Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam. Trần Mạnh Liễu và Đoàn Thế Tường (2000) bước đầu đặt nền móng lý luận về địa kỹ thuật môi trường; Trần Mạnh Liễu (2005) tiến hành phân vùng định lượng địa chất công trình và dự báo trạng thái môi trường cho một số khu đô thị Hà Nội; đặc biệt đề tài cấp thành phố mã số 01C-04/01-2016-3 do Trần Mạnh Liễu chủ trì đã hệ thống hóa các dữ liệu ĐKTMT Hà Nội. Nguyễn Huy Phương (đề tài TC-ĐT/06-02-3) nghiên cứu toàn diện các đặc tính cơ lý của đất yếu Hà Nội. Trần Thương Bình nghiên cứu hiện tượng cố kết động của đất yếu. Đào Văn Thịnh lập cơ sở dữ liệu các tai biến địa chất. Về trượt lở sườn dốc, Đỗ Minh Đức (2010) công bố công trình chuyên khảo và trạm cảnh báo tại Bắc Kạn cùng đề tài TLĐLCN-23/17 tại Quảng Nam; Nguyễn Quốc Thành nghiên cứu trượt lở quy mô khu vực miền núi Bắc Bộ. Bách khoa thư Địa chất do Tống Duy Thanh và Mai Trọng Nhuận chủ biên tổng hợp toàn diện các dạng tai biến trên địa bàn Thủ đô.

Về sụt lún mặt đất và nứt hỏng công trình tại Hà Nội, quá trình quan trắc bắt đầu từ năm 1988 do Đoàn Địa chất 64 thực hiện với 32 mốc, sau tăng lên 45 mốc (1996) và 80 mốc (2005). Các trạm quan trắc lún sâu khu vực Tây Nam Hà Nội được thiết lập liên tục: Ngọc Hà (1994), Pháp Vân (1996), Thành Công (1997), Hạ Đình và Mai Dịch (1998), Lương Yên (2000), Ngô Sỹ Liên (2002), Tương Mai, Yên Phụ, Cáo Đỉnh (2003). Viện Kỹ thuật Xây dựng Hà Nội đã vận hành 10 trạm đo lún mặt đất từ năm 1995. Luận án dẫn chứng thực trạng các nhà tập thể 5 tầng lắp ghép xây dựng sau năm 1970 bị lún lệch và nứt vỡ nghiêm trọng sau khi nhà máy nước ngầm mở rộng công suất (như chương trình nước Phần Lan cuối thập niên 1980): nhà B2 Ngọc Khánh lún gần 1 m khi đang thi công tầng 4; nhà E6, E7 Quỳnh Mai lún tích lũy 1100 - 1300 mm vào năm 2000; nhà C1 Thành Công lún mất nửa tầng một sau 20 năm sử dụng. Đề tài 01-36-04 của Trần Nhật Dũng nghiên cứu lún mặt đất do khai thác nước; đề tài 01C-04/09-2008-2 của Phạm Quý Nhân đánh giá suy thoái và ô nhiễm asen, amoni trong nước ngầm phía Nam Hà Nội. Về hố đào sâu và công trình ngầm, các nghiên cứu của Đỗ Đình Đức, Chu Tân Hạ, Nguyễn Trường Huy, Nguyễn Quang Phích, Phạm Năng Vũ và Nguyễn Quang Luật cung cấp cơ sở tính toán phần tử hữu hạn và mô hình cơ học đá. Về thấm đê, các công trình của Tô Xuân Vu, Trần Mạnh Liễu, Trần Quang Hoài và Experco Canada phân tích cơ chế mất ổn định thấm đê sông Hồng. Về tải trọng động và hóa lỏng nền, Nguyễn Đình Xuyên, Nguyễn Sinh Minh, Nguyễn Văn Phóng, Ngô Thị Ngọc Vân và Nguyễn Hồng Nam đã thực hiện các nghiên cứu vi phân vùng chấn động và thí nghiệm ba trục động.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết là: Vận dụng lý thuyết hệ thống Địa - Kỹ thuật để xây dựng phương pháp đánh giá tổng hợp, thành lập bản đồ phân vùng cấu trúc nền địa chất tỷ lệ 1:50.000 cho toàn địa bàn Hà Nội mở rộng; đồng thời tính toán dự báo định lượng theo thời gian và không gian mức độ lún mặt đất do ba nguyên nhân chính (san lấp, tải trọng công trình, hạ thấp mực nước ngầm), đánh giá hiện tượng ma sát âm lên cọc và phân tích các dạng tai biến cơ học - thủy lực khi thi công hố đào sâu và tuyến đường sắt ngầm Metro số 2.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết hệ thống Địa - Kỹ thuật. Địa hệ kỹ thuật - tự nhiên (MTĐC - HTKT - MTXQ) được định nghĩa là một tổ hợp có tổ chức và liên hệ hữu cơ giữa các hợp phần của môi trường địa chất (phần trên của thạch quyển chịu tác động nhân sinh) và hệ thống kỹ thuật (toàn bộ hoạt động xây dựng, kinh tế - xã hội), tương tác qua lại với môi trường xung quanh (sinh quyển, khí quyển, thủy quyển và phần sâu thạch quyển).

Hệ thống Địa - Kỹ thuật đô thị là một địa hệ cấp địa phương, mang các thuộc tính cơ bản:

  • Tính điều chỉnh được: Các quá trình tương tác công trình - đất nền có thể can thiệp và kiểm soát thông qua các giải pháp kỹ thuật công nghệ;
  • Tính chất động: Trạng thái ứng suất, biến dạng, mực nước ngầm biến đổi liên tục theo thời gian;
  • Tính chất mở: Không ngừng trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh;
  • Tính đa trạng thái và đa tỷ lệ theo không gian và thời gian.

Cấu trúc môi trường địa chất được phân tách thành hai đối tượng nghiên cứu:

  • Cấu trúc vật chất: Bao gồm cấu trúc địa mạo, địa tầng - thạch học, kiến tạo và địa chất thủy văn;
  • Cấu trúc năng lượng: Bao gồm trọng trường, trường ứng suất kiến tạo, trường thủy động lực, trường điện từ và trường độ ẩm.

Luận án kế thừa quan điểm về ba chức năng môi trường của nền địa chất:

  • Chức năng tài nguyên môi trường (khoáng sản, nước dưới đất, không gian ngầm);
  • Chức năng địa động lực môi trường (các quá trình biến dạng, sụt lún, tai biến cơ học);
  • Chức năng địa hóa - địa vật lý môi trường (các trường vật lý dị thường, tình trạng ô nhiễm đất và nước).

Về phương pháp nghiên cứu, luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp:

  • Phương pháp thu thập, phân tích và hệ thống hóa dữ liệu: Tổng hợp các tài liệu khảo sát địa chất công trình, địa chất thủy văn, tài liệu quan trắc mực nước và quy hoạch xây dựng hiện có;
  • Phương pháp phân tích ảnh viễn thám: Giải đoán các hệ thống đứt gãy kiến tạo, phân tích địa mạo và các biểu hiện biến dạng bề mặt;
  • Phương pháp điều tra, thị sát hiện trường: Khảo sát thực tế các điểm xuất hiện tai biến sụt Karst, xói mòn sườn dốc và các vị trí sự cố công trình;
  • Phương pháp GIS và bản đồ: Chồng ghép các lớp dữ liệu không gian, xây dựng bản đồ phân vùng cấu trúc nền, bản đồ tải trọng và các bản đồ dự báo lún chuyên đề ở tỷ lệ 1:50.000 và 1:25.000;
  • Phương pháp mô hình hóa và tính toán địa kỹ thuật:
    • Tính toán độ lún cuối cùng và độ lún theo thời gian bằng phương pháp cộng lún từng lớp theo lý thuyết cố kết thấm một chiều của Terzaghi;
    • Tính toán áp lực đất chủ động, bị động lên tường cừ hố đào sâu theo lý thuyết Rankine/Coulomb;
    • Kiểm tra an toàn biến dạng thấm (cát chảy) đáy hố đào theo tiêu chuẩn thiết kế của Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Đường sắt Nhật Bản (RTRI, 2014);
    • Kiểm toán hiện tượng bục đáy hố đào theo công thức cân bằng giới hạn của Cục Đường sắt Nhật Bản;
    • Dự báo lún bề mặt đất và biến dạng công trình khi thi công hầm ngầm giao thông đô thị bằng phương pháp giải tích đường cong phân bố chuẩn Gauss của Peck (1969).

Nguồn tư liệu thực tế bao gồm:

  • Bản đồ và báo cáo địa chất tại Trung tâm Thông tin Lưu trữ và Tạp chí Địa chất, Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Bắc, Liên đoàn Bản đồ Địa chất và Khoáng sản Biển;
  • Chuỗi số liệu quan trắc hạ thấp mực nước ngầm giai đoạn 2005 - 7/2017 từ Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Quốc gia;
  • Hàng trăm tài liệu lỗ khoan khảo sát địa chất công trình từ Công ty CP Khảo sát Địa chất và Xử lý Nền móng Công trình, Công ty CP Đầu tư và Hạ tầng Bắc Việt, Trung tâm Nghiên cứu Địa kỹ thuật (Trường Đại học Mỏ - Địa chất);
  • Số liệu nghiên cứu kế thừa trực tiếp từ Đề tài nghiên cứu trọng điểm thành phố Hà Nội mã số 01C-04/01-2016-3 do PGS.TSKH Trần Mạnh Liễu làm chủ nhiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở khoa học nghiên cứu đánh giá, dự báo tai biến ĐC — ĐKTMT đô thị

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về quá trình đô thị hóa và tác động nhân sinh tới môi trường địa chất. Tác giả phân tích cấu trúc của phụ hệ thống kỹ thuật đô thị theo nhiều cấp bậc: địa giới hành chính, cấu trúc phân vùng quy hoạch (khu dân sinh, công nghiệp, hành chính, an dưỡng, dự trữ), cấu trúc phân vùng chức năng (vùng trung tâm, ven rìa, ngoại ô), công trình đặc biệt (đê điều, lăng tẩm, di tích lịch sử) và theo bản chất tác động (tải trọng tĩnh, tải trọng động, tác động thủy động lực, hóa học, sinh học, điện từ).

Chương này trình bày chi tiết cơ sở toán học và cơ học của các mô hình dự báo tai biến:

  • Cơ sở đánh giá lún mặt đất do san lấp nền và tải trọng công trình bề mặt: Thiết lập công thức xác định độ lún cuối cùng theo phương pháp cộng lún từng lớp và dự báo độ lún theo thời gian thông qua hệ số cố kết tương đương $C_{vm}$ của đất nền nhiều lớp: $$C_{vm} = \frac{H^2}{\left( \sum \frac{h_i}{\sqrt{C_{vi}}} \right)^2}$$ trong đó $H$ là tổng chiều dày các lớp chịu nén, $h_i$ và $C_{vi}$ là chiều dày và hệ số cố kết của từng lớp đất riêng biệt. Thời gian ổn định lún ứng với độ cố kết $U = 0,95$ được xác định thông qua nhân tố thời gian $N_0 = 2,80$ hoặc $N_2 = 2,54$ tùy theo sơ đồ phân bố ứng suất nén.
  • Cơ sở đánh giá lún mặt đất do khai thác nước dưới đất: Sử dụng nguyên lý Terzaghi, khi áp lực nước lỗ rỗng giảm do hạ thấp mực nước ngầm, ứng suất hữu hiệu trong đất gia tăng dẫn đến quá trình nén chặt các tầng chứa nước và tầng thấm nước yếu xen kẹp.
  • Hiện tượng ma sát âm của cọc: Xuất hiện khi nền đất yếu xung quanh cọc bị lún với tốc độ lớn hơn chuyển dịch của thân cọc, làm đảo chiều lực ma sát thành tải trọng kéo xuống bổ sung lên đầu cọc, gây quá tải sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép.
  • Cơ sở đánh giá tai biến trong thi công hố móng sâu (công trình ngầm dạng điểm): Phân tích trạng thái cân bằng giới hạn của tường cừ chắn đất; phương pháp kiểm tra điều kiện phát sinh hiện tượng cát chảy và bục đáy mố đào chịu tác động của áp lực thủy tĩnh từ tầng chứa nước áp lực bên dưới.
  • Cơ sở đánh giá tai biến thi công ngầm dạng tuyến: Phân tích áp lực đất đá tác dụng lên vỏ hầm theo lý thuyết vòm áp lực, mô hình cột đá Liszkowski và lý thuyết Peck xác định hình dạng phễu lún mặt đất với hàm Gauss: $$S(x) = S_{max} \exp\left( -\frac{x^2}{2i^2} \right)$$ trong đó $S_{max}$ là độ lún cực đại tại trục hầm, $i$ là khoảng cách từ trục hầm đến điểm uốn của đường cong lún.

Chương 2: Hệ thống Địa — kỹ thuật đô thị Hà Nội

Chương 2 phân tích thực trạng các hợp phần của hệ thống Địa - Kỹ thuật thành phố Hà Nội trên cơ sở điều kiện tự nhiên và quy hoạch phát triển.

Về phụ hệ thống môi trường địa chất:

  • Cấu trúc địa tầng - thạch học: Trầm tích Đệ tứ phân bố rộng khắp với nguồn gốc sông, hồ, đầm lầy, bao gồm các hệ tầng Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng và Thái Bình. Vùng ven rìa và gò đồi phân bố các đá cứng tuổi Neogen, Trias, Permi và cổ hơn.
  • Cấu trúc địa chất thủy văn: Tồn tại hai tầng chứa nước lỗ hổng chính là tầng chứa nước Holocen (qh) và Pleistocen (qp). Tầng qp là tầng khai thác nước ngầm chủ lực của các nhà máy nước thành phố, hiện có phễu hạ thấp mực nước dạng phễu sâu tập trung ở khu vực nội đô và phía nam.
  • Phân vị địa chất công trình - địa kỹ thuật: Luận án phân chia đất đá thành các phân vị đất mềm dính và đá cứng, tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý tiêu biểu (dung trọng tự nhiên, góc ma sát trong, lực dính kết, mô đun biến dạng, hệ số thấm, hệ số nén lún).
  • Phân vùng cấu trúc nền: Luận án lập Bản đồ phân vùng ĐCCT địa hệ và cấu trúc nền thành phố Hà Nội tỷ lệ 1:50.000. Phân chia địa bàn thành:
    • 2 vùng ĐCCT lớn: Vùng trầm tích Đệ tứ đồng bằng và Vùng gò đồi núi đá cứng;
    • Vùng Đệ tứ được chia thành 5 kiểu cấu trúc nền chính với 18 phụ kiểu cấu trúc nền, phân biệt theo chiều dày và vị trí của các lớp đất yếu bùn sét, sét dẻo mềm;
    • Vùng đá cứng được chia thành 5 kiểu cấu trúc nền đặc thù (bao gồm đá phong hóa, đá nứt nẻ và đá vôi Karst).

Về phụ hệ thống kỹ thuật đô thị:

  • Hiện trạng và định hướng quy hoạch không gian theo Quyết định 1259/QĐ-TTg, bao gồm khu đô thị trung tâm và 5 đô thị vệ tinh (Hòa Lạc, Sơn Tây, Xuân Mai, Phú Xuyên, Sóc Sơn).
  • Bản đồ tải trọng san lấp nền và tải trọng công trình bề mặt tỷ lệ 1:50.000: Xác lập các mức chiều dày đắp nền từ dưới 1 m đến trên 3 m và tải trọng công trình dân dụng, công nghiệp.
  • Hiện trạng khai thác nước dưới đất: Thống kê các nhà máy nước tập trung (Yên Phụ, Lương Yên, Pháp Vân, Mai Dịch, Hạ Đình, Ngô Sỹ Liên, Tương Mai...) với lưu lượng khai thác đơn vị trên 200 $\text{m}^3/\text{ngày}$, xác lập bản đồ thủy đẳng áp tầng Pleistocen.
  • Hệ thống công trình ngầm: Quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị (UMRT) đến năm 2030, trong đó có các đoạn đi ngầm sâu qua vùng địa chất phức tạp.

Về môi trường xung quanh và phần sâu thạch quyển: Đánh giá lượng mưa, chế độ thủy văn sông Hồng, sông Đáy và tổng hợp số liệu lịch sử các trận động đất ảnh hưởng đến khu vực Hà Nội.

Chương 3: Đánh giá, dự báo tai biến Địa chất - Địa kỹ thuật môi trường thành phố Hà Nội

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán định lượng và xây dựng hệ thống bản đồ dự báo tai biến địa kỹ thuật môi trường:

1. Đánh giá, dự báo lún mặt đất do san lấp và tải trọng công trình

  • Lún do san lấp: Tính toán trên mô hình lỗ khoan điển hình KX33 cho thấy thời gian ổn định lún $t_{95}$ đạt tới 214,68 năm (với hệ số cố kết trung bình $C_{vm} = 41,485 \text{ cm}^2/\text{năm}$, nhân tố cố kết $N_0 = 2,80$). Thành lập Bản đồ phân vùng dự báo lún mặt đất do tải trọng san lấp nền tỷ lệ 1:50.000.
  • Lún do tải trọng công trình bề mặt (móng nông nhà 4 - 6 tầng, bề rộng móng $b = 2\text{ m}$, chiều sâu chôn móng $h = 1\text{ m}$): Vùng chịu nén $H = 12\text{ m}$, $C_{vm} = 46,127 \text{ cm}^2/\text{năm}$, $N_2 = 2,54$, thời gian ổn định lún $t_{95} = 32,10\text{ năm}$. Thành lập Bản đồ phân vùng dự báo lún do tải trọng công trình tỷ lệ 1:50.000.

2. Đánh giá, dự báo lún mặt đất do khai thác nước ngầm và ma sát âm

  • Dự báo lún tại lỗ khoan KX33 theo chiều sâu tầng nén ép $H = 27,5\text{ m}$: $C_{vm} = 40,224 \text{ cm}^2/\text{năm}$, thời gian đạt độ cố kết 95% là $t_{95} = 213,57\text{ năm}$.
  • Thành lập Bản đồ phân vùng dự báo lún do khai thác nước ngầm tỷ lệ 1:25.000.
  • Lập Bản đồ phân bố sự cố công trình nứt nẻ và ngập lụt thành phố tỷ lệ 1:50.000; lập Bản đồ diện phân bố đất yếu và Bản đồ ma sát âm cọc bê tông cốt thép khu vực đô thị trung tâm tỷ lệ 1:25.000.

3. Dự báo tai biến liên quan đến xây dựng hố đào sâu và công trình ngầm

  • Thi công hố đào sâu (sâu $H_0 = 7\text{ m}$): Tính toán áp lực đất chủ động $E_a$, mômen chủ động $M_a$, áp lực bị động $E_p$, mômen bị động $M_p$ và chiều sâu cắm cừ $D$ cho ba kiểu cấu trúc nền điển hình:
Kiểu cấu trúc nền Chiều sâu hố đào $H_0$ (m) Chiều sâu cắm cừ $D$ (m) Áp lực chủ động $E_a$ (T) Áp lực bị động $E_p$ (T) Mômen chủ động $M_a$ (Tm) Mômen bị động $M_p$ (Tm) Hệ số an toàn lực đẩy $FS_p$ Hệ số an toàn mômen $FS_m$
Kiểu cấu trúc nền I 7 2 8,86 24,88 12,52 22,03 2,80 1,84
Kiểu cấu trúc nền II 7 15 253,25 421,88 1680,03 2109,40 1,67 1,26
Kiểu cấu trúc nền III 7 25 639,22 775,50 6605,22 6661,54 1,21 1,01
  • Tính toán hiện tượng cát chảy đáy hố đào: Áp dụng với hố đào rộng $B = 20\text{ m}$, chiều rộng tường vây $D_b = 7,5\text{ m}$, chiều cao mực nước ngầm $h_w = 5\text{ m}$, tính toán cho hệ số an toàn cát chảy đạt $F = 1,25$ (thấp hơn ngưỡng yêu cầu quy phạm $F = 1,5$, cảnh báo nguy cơ mất ổn định cát chảy khi thi công trong lớp cát nhỏ, hạt mịn).
  • Tính toán hiện tượng bục đáy hố đào: Kiểm toán với chênh cao áp lực nước $\Delta H = 5\text{ m}$, chiều dày lớp đất giữ lại $t_2 = 2\text{ m}$:
Bề rộng hố đào $B$ (m) Kiểu cấu trúc nền Chiều sâu ngàm cừ $t_1$ (m) Lực dính đáy $c$ (kPa) Ma sát cừ - đất $f$ (kPa) Hệ số an toàn bục đất $P_z/U$
$B = 20$ I 1 30 15 1,08
$B = 20$ II 2 10 7 1,21
$B = 40$ I 1 30 15 1,06
$B = 40$ II 2 10 7 1,21
  • Tính toán dự báo biến dạng cho Tuyến đường sắt đô thị số 2 (Metro số 2): Phân tích tại ba vị trí mặt cắt đặc trưng gồm Ga C5, Ga C9 và hố khoan KX62 với hai giai đoạn thi công ở các độ sâu khác nhau theo lý thuyết Peck:
Vị trí tính toán Giai đoạn / Độ sâu đặt hầm Chiều rộng phễu lún $L$ (m) Phạm vi ảnh hưởng phễu lún $x_1 \div x_2$ (m) Chuyển vị ngang cực đại $h_{max}$ (mm) Gradient xoay / Đánh giá rủi ro công trình
Ga C5 Giai đoạn 1 (độ sâu 21,25 m) 41,07 $-10,53 \div 30,53$ 1,8 Rủi ro nứt kéo mức I (chịu nén - không hư hỏng)
Ga C5 Giai đoạn 2 (độ sâu 34,85 m) 86,12 $-33,06 \div 53,06$ 1,8 Rủi ro nứt kéo mức I đến III/IV (hư hỏng nhỏ)
Ga C9 Giai đoạn 1 (độ sâu 21,25 m) 54,13 $-17,07 \div 37,07$ 2,5 Rủi ro nứt kéo mức I đến III/IV (ít hư hỏng)
Ga C9 Giai đoạn 2 (độ sâu 34,85 m) 90,82 $-35,41 \div 55,41$ 1,8 Rủi ro nứt kéo mức I đến III/IV (hư hỏng rất nhỏ)
Lỗ khoan KX62 Giai đoạn 1 (độ sâu 21,25 m) 69,45 $-24,72 \div 44,72$ 3,2 Gradient $1/1250$, không gây hư hại kết cấu
Lỗ khoan KX62 Giai đoạn 2 (độ sâu 34,85 m) 84,76 $-32,38 \div 52,38$ 1,5 Rủi ro nứt kéo mức I đến III (ít hư hỏng)

4. Đánh giá các tai biến ngoại sinh và tương tác MTĐC - MTXQ

  • Xói mòn khe rãnh: Khảo sát thực địa ghi nhận hiện tượng phát triển mạnh trên mái dốc đường giao thông và bờ mỏ vật liệu xây dựng thuộc vùng đá phong hóa cát bột kết hệ tầng Sông Bôi tại khu vực Yên Bình, huyện Thạch Thất (trong khi sườn dốc tự nhiên có thảm thực vật che phủ hầu như không bị xói mòn).
  • Trượt, sạt lở bờ dốc: Khảo sát các điểm sụt trượt thực tế tại bờ mỏ khai thác đất sét trầm tích hệ tầng Suối Phay và mái taluy đường giao thông trong hệ tầng Cò Nòi ở xã Yên Bài, xã Ba Trại thuộc huyện Ba Vì.
  • Hiện tượng sụt Karst: Thu thập và định vị các hố sụt ngầm điển hình tại xã Hợp Thành (ngày 19/5/2018) và thôn Hòa Lạc, xã An Tiến (ngày 12/4/2016) thuộc huyện Mỹ Đức; thành lập Sơ đồ đánh giá phát triển Karst thành phố Hà Nội tỷ lệ 1:50.000.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận của luận án bao gồm:

  • Vận dụng lý thuyết hệ thống và lý thuyết hệ thống Địa - Kỹ thuật vào bài toán đô thị mở rộng, lượng hóa các mối quan hệ tương tác giữa ba hợp phần MTĐC, HTKT và MTXQ để phân tích quy luật phát sinh, diễn biến của các dạng tai biến kỹ thuật môi trường.
  • Thiết lập hệ thống tiêu chí khoa học cho phép phân loại và lập Bản đồ phân vùng cấu trúc nền địa chất thành phố Hà Nội tỷ lệ 1:50.000 với 2 vùng ĐCCT, 5 kiểu cấu trúc nền và 18 phụ kiểu thuộc trầm tích Đệ tứ, cùng 5 kiểu cấu trúc nền vùng đá cứng.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn bao gồm:

  • Xây dựng tập bản đồ chuyên đề hoàn chỉnh phục vụ quy hoạch và quản trị đô thị:
    • Bản đồ phân chia cấu trúc nền thành phố Hà Nội tỷ lệ 1:50.000;
    • Các bản đồ thành phần phụ hệ thống kỹ thuật: cốt cao nền, bề dày san lấp, tải trọng công trình bề mặt tỷ lệ 1:50.000;
    • Bản đồ phân vùng dự báo lún mặt đất do tải trọng san lấp nền tỷ lệ 1:50.000;
    • Bản đồ phân vùng dự báo lún mặt đất do tải trọng công trình trên móng nông tỷ lệ 1:50.000;
    • Bản đồ phân vùng dự báo lún mặt đất do khai thác nước dưới đất tỷ lệ 1:25.000;
    • Bản đồ ma sát âm cọc bê tông cốt thép khu vực đô thị trung tâm tỷ lệ 1:25.000;
    • Sơ đồ đánh giá phát triển Karst tỷ lệ 1:50.000.
  • Cung cấp các kết quả định lượng cụ thể về thông số cắm cừ, hệ số an toàn đẩy nổi, chống bục đất, cát chảy cho các cấu trúc nền hố đào sâu và dự báo phễu lún thực tế cho tuyến Metro số 2 làm cơ sở cho công tác thiết kế, thi công.

Về mặt kiến nghị và giải pháp đề xuất, tác giả nêu rõ:

  • Trong công tác quy hoạch: Cần lồng ghép các bản đồ phân vùng cấu trúc nền và bản đồ dự báo lún vào quy hoạch không gian xây dựng ngầm và bề mặt; hạn chế bố trí tải trọng lớn tại các khu vực có phụ kiểu cấu trúc nền chứa lớp đất yếu dày sát bề mặt.
  • Trong thi công hố móng và công trình ngầm: Bắt buộc áp dụng các giải pháp hạ sâu chiều sâu ngàm của cừ tường vây (từ 15 đến 25 m tùy kiểu cấu trúc nền), gia cố chống thấm đáy móng để triệt tiêu chênh lệch áp lực thủy tĩnh tránh hiện tượng bục đất và cát chảy; bố trí khoảng cách cách ly an toàn cho các công trình lân cận tuyến hầm Metro.
  • Trong quản lý tài nguyên nước: Kiểm soát chặt chẽ lưu lượng bơm hút tại các bãi giếng tập trung phía nam thành phố để làm chậm tốc độ gia tăng ma sát âm lên hệ móng cọc của các công trình hiện hữu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án gắn liền với các phạm vi biên giới kỹ thuật đã xác định:

  • Độ sâu nghiên cứu bị giới hạn theo từng phân vùng địa chất (50 - 60 m đối với Đệ tứ, 20 - 30 m đối với tầng phong hóa đá cứng, 60 - 70 m đối với vùng Karst), chưa bao quát trạng thái biến dạng ở các tầng sâu hơn của vỏ Trái Đất.
  • Luận án lược bỏ không đánh giá các quá trình tai biến thủy địa lực ven sông Hồng như bồi tụ, sạt lở bờ sông, xói ngầm và cát chảy trong thân đê do các nội dung này thuộc phạm vi các chương trình nghiên cứu chuyên biệt khác.
  • Chưa đi sâu định lượng các phản ứng địa kỹ thuật dưới tác động của tải trọng động học và chấn động động đất do giới hạn về cơ sở dữ liệu quan trắc vi địa chấn và thời gian nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật, công nghệ cụ thể nhằm xử lý, gia cố nền móng và giảm thiểu thiệt hại từ các tai biến địa chất - địa kỹ thuật môi trường đã được chỉ ra.
  • Nghiên cứu thiết kế và xây dựng hệ thống quan trắc, giám sát liên tục tự động (Monitoring) nhằm hỗ trợ ra quyết định và điều khiển trạng thái hoạt động của hệ thống Địa - Kỹ thuật đô thị thành phố Hà Nội trong tương lai.

Giá trị tham khảo

Nội dung của luận án có giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn cho nhiều nhóm chuyên môn:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa chất học, Địa chất công trình, Địa kỹ thuật môi trường và Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Có thể tham khảo phương pháp luận tiếp cận hệ thống, quy trình phân vị cấu trúc nền địa chất đô thị và mô hình toán tích hợp dự báo lún theo thời gian.
  • Kỹ sư tư vấn khảo sát, thiết kế và các nhà thầu thi công nền móng: Cung cấp trực tiếp các thông số cơ lý, biểu đồ tính toán áp lực đất lên tường cừ, chiều sâu ngàm cừ chắn móng sâu, kiểm toán bục đáy hố móng và giá trị dự báo phễu lún hầm metro theo phương pháp Peck tại khu vực nội thành Hà Nội.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng, giao thông và tài nguyên môi trường (Sở Xây dựng, Sở Quy hoạch - Kiến trúc, Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Hà Nội): Nguồn số liệu bản đồ tỷ lệ 1:50.000 và 1:25.000 là căn cứ định hướng cấp phép xây dựng, định hình không gian ngầm đô thị và điều chỉnh lưu lượng khai thác nước ngầm nhằm phòng tránh rủi ro sụt lún diện rộng.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án định nghĩa hệ thống Địa - Kỹ thuật đô thị như thế nào và gồm các phụ hệ thống nào?
Hệ thống Địa - Kỹ thuật đô thị là một địa hệ kỹ thuật - tự nhiên trong khu vực đô thị, hình thành từ sự tương tác hữu cơ giữa các yếu tố của môi trường địa chất với các yếu tố kỹ thuật xây dựng và kinh tế - xã hội của con người. Hệ thống này bao gồm hai phụ hệ thống cấp 1 là Phụ hệ thống môi trường địa chất (gồm cấu trúc vật chất và cấu trúc năng lượng) và Phụ hệ thống kỹ thuật đô thị (các công trình bề mặt, công trình ngầm, khai thác tài nguyên lãnh thổ), đồng thời chịu tác động tương hỗ liên tục với Môi trường xung quanh (khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và phần sâu thạch quyển).

2. Môi trường địa chất thành phố Hà Nội được luận án phân chia thành các kiểu cấu trúc nền nào?
Ở tỷ lệ 1:50.000, môi trường địa chất Hà Nội được phân thành 2 vùng địa chất công trình lớn. Trong đó, vùng trầm tích Đệ tứ đồng bằng được phân chia chi tiết thành 5 kiểu cấu trúc nền chính với 18 phụ kiểu cấu trúc nền (dựa trên sự có mặt, chiều dày và vị trí của các lớp đất yếu bùn sét, sét dẻo mềm); vùng đồi núi đá cứng ven rìa được phân chia thành 5 kiểu cấu trúc nền đặc trưng cho đá phong hóa, đá nứt nẻ và đá vôi phát triển Karst.

3. Thời gian ổn định lún ($t_{95}$) tại lỗ khoan thí nghiệm điển hình KX33 do các nguyên nhân tải trọng khác nhau được xác định là bao lâu?
Theo kết quả tính toán cơ học đất của luận án tại vị trí hố khoan KX33:

  • Dưới tác dụng của tải trọng san lấp nền: thời gian ổn định lún ($U = 0,95$) là $t_{95} = 214,68\text{ năm}$ ($C_{vm} = 41,485\text{ cm}^2/\text{năm}$, nhân tố cố kết $N_0 = 2,80$).
  • Dưới tác dụng của tải trọng công trình bề mặt móng nông (4 - 6 tầng): thời gian ổn định lún là $t_{95} = 32,10\text{ năm}$ ($C_{vm} = 46,127\text{ cm}^2/\text{năm}$, nhân tố cố kết $N_2 = 2,54$).
  • Dưới tác dụng của việc hạ thấp mực nước ngầm: thời gian ổn định lún là $t_{95} = 213,57\text{ năm}$ ($C_{vm} = 40,224\text{ cm}^2/\text{năm}$, nhân tố cố kết $N_0 = 2,80$).

4. Khi thi công hố đào sâu 7 m, yêu cầu chiều sâu cắm cừ chắn đất và hệ số an toàn thay đổi ra sao theo các kiểu cấu trúc nền?
Kết quả tính toán tại Phụ lục 1 cho thấy:

  • Với Kiểu cấu trúc nền I: Chiều sâu cắm cừ $D = 2\text{ m}$ (áp lực chủ động $E_a = 8,86\text{ T}$, áp lực bị động $E_p = 24,88\text{ T}$), hệ số an toàn lực đẩy $FS_p = 2,80$ và hệ số an toàn mômen $FS_m = 1,84$.
  • Với Kiểu cấu trúc nền II: Chiều sâu cắm cừ phải tăng lên $D = 15\text{ m}$ ($E_a = 253,25\text{ T}$, $E_p = 421,88\text{ T}$), hệ số an toàn giảm xuống $FS_p = 1,67$ và $FS_m = 1,26$.
  • Với Kiểu cấu trúc nền III: Chiều sâu cắm cừ phải đạt tới $D = 25\text{ m}$ ($E_a = 639,22\text{ T}$, $E_p = 775,50\text{ T}$), các hệ số an toàn tiệm cận giới hạn với $FS_p = 1,21$ và $FS_m = 1,01$.

5. Kết quả dự báo biến dạng mặt đất khi thi công tuyến Metro số 2 bằng phương pháp Peck cho thấy mức độ rủi ro đối với công trình lân cận như thế nào?
Tính toán tại ba vị trí Ga C5, Ga C9 và hố khoan KX62 với hai giai đoạn đào hầm (chiều sâu hầm từ 21,25 m đến 34,85 m) chỉ ra rằng chiều rộng phễu lún mặt đất biến thiên từ $41,07\text{ m}$ đến $90,82\text{ m}$, chuyển vị ngang bề mặt cực đại nằm trong khoảng từ $1,5\text{ mm}$ đến $3,2\text{ mm}$. Gradient biến dạng góc xoay tại các mặt cắt đều nhỏ hơn ngưỡng nguy hiểm (tại KX62 đạt $1/1250$ so với giới hạn cho phép $1/500$). Rủi ro hư hỏng đối với kết cấu các công trình lân cận nằm trong cấp I đến cấp III/IV theo phân loại nứt kéo, biểu hiện ở mức không hư hại hoặc chỉ xuất hiện các vết nứt vi mô không đe dọa sự ổn định tổng thể của công trình.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Nguyễn Văn Vũ đã vận dụng lý thuyết hệ thống Địa - Kỹ thuật để giải quyết bài toán tai biến môi trường trong bối cảnh phát triển đô thị mở rộng của thành phố Hà Nội. Công trình đã phân chia chi tiết cấu trúc nền địa chất công trình tỷ lệ 1:50.000 gồm 2 vùng lớn, 5 kiểu cấu trúc nền với 18 phụ kiểu trầm tích Đệ tứ và 5 kiểu đá cứng. Luận án đã tính toán định lượng các trường biến dạng lún theo thời gian do san lấp, tải trọng công trình và khai thác nước ngầm, đồng thời kiểm toán cơ học thành công các tương tác địa kỹ thuật đối với hố đào sâu và tuyến Metro số 2. Hệ thống bản đồ chuyên đề và các thông số dự báo do luận án thiết lập cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy cho công tác quy hoạch, khảo sát, thiết kế và quản lý rủi ro địa kỹ thuật phục vụ phát triển đô thị bền vững.