Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh đang đối mặt với tình trạng ùn tắc giao thông nghiêm trọng, việc phát triển hệ thống giao thông ngầm, đặc biệt là tuyến metro, trở thành giải pháp cấp thiết. Theo ước tính, các công trình hầm metro được thi công trong điều kiện nền đất yếu chiếm tỷ lệ lớn do đặc điểm địa chất phức tạp của các vùng châu thổ. Việc thi công hầm trong nền đất yếu đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, đặc biệt là kiểm soát hiện tượng lún và ổn định gương hầm trong quá trình đào bằng máy đào Shield-TBM.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích và đề xuất các phương pháp xử lý đất yếu nhằm giảm thiểu lún và đảm bảo an toàn cho công trình hầm metro, đồng thời bảo vệ các công trình xung quanh. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên dữ liệu khảo sát địa chất tuyến metro 3B (Ngã Sáu Cộng Hòa – Hiệp Bình Phước), Thành phố Hồ Chí Minh, trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2011. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các giải pháp công nghệ thi công phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả và độ an toàn của các dự án hầm metro trong điều kiện đất yếu, đồng thời giảm thiểu rủi ro về kỹ thuật và kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Lý thuyết Asaoka về phân biệt đất yếu: Lý thuyết này sử dụng các chỉ số cơ lý như độ nhảy St và tỉ lệ chỉ số nén c để phân loại đất yếu, đặc biệt là các lớp đất sét khó dự đoán. Theo Asaoka, khi tỉ lệ c ≥ 1.0, đất được xem là đất sét khó kiểm soát, đòi hỏi các biện pháp xử lý đặc biệt.

  2. Mô hình lún bề mặt theo Peck & Schmidt và O’Reilly & New: Mô hình này mô tả đường cong lún bề mặt dạng Gaussian, với các tham số như biến dạng lún tối đa Smax, khoảng cách i từ trục hầm đến điểm uốn đường cong lún. Các công thức tính toán lún bề mặt và mất mát thể tích đất nền được áp dụng để dự đoán biến dạng trong quá trình thi công hầm.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: mất mát thể tích (VL), chuyển vị hướng tâm, áp lực cân bằng gương hầm, phương pháp trộn sâu Jet-Grouting, và chỉ số cường độ phụt GIN trong công tác phụt vữa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát địa chất thực tế tuyến metro 3B tại Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp với các số liệu thí nghiệm vữa phụt và mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 2D và Plaxis 3D Tunnel. Cỡ mẫu khảo sát gồm 5 lỗ khoan chính, được phân tích chi tiết theo phương pháp Asaoka để đánh giá tính chất đất yếu.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết dựa trên các mô hình lún bề mặt và áp lực gương hầm.
  • Mô phỏng số bằng phần tử hữu hạn để đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp xử lý đất yếu trong quá trình thi công hầm bằng Shield-TBM.
  • Thí nghiệm vữa phụt trong phòng thí nghiệm để xác định các thông số kỹ thuật như độ nhớt, độ tách nước, cường độ đông kết.
  • Áp dụng mô hình GIN để thiết kế và kiểm soát công tác phụt vữa nhằm gia cố nền đất yếu.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2011, bao gồm khảo sát thực địa, thí nghiệm, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm đất yếu tại tuyến metro 3B: Qua phân tích 5 lỗ khoan, các lớp đất sét có tỉ lệ chỉ số nén c ≥ 1.0, thuộc nhóm đất sét khó kiểm soát theo Asaoka. Độ nhảy St và chỉ số độ sệt IL cho thấy đất có sức chịu tải thấp (0,5 – 1 kG/cm²), độ nén lún lớn (a > 0,1 cm/kG), và hệ số rỗng e > 1.0.

  2. Mức độ mất mát thể tích và lún bề mặt: Mất mát thể tích đất nền trong quá trình thi công hầm bằng Shield-TBM được xác định khoảng 2.5% thể tích hang đào, tương ứng với biến dạng lún bề mặt tối đa Smax đạt khoảng 15 mm tại trục hầm, với khoảng cách i từ trục hầm đến điểm uốn đường cong lún là 1.2 m. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mức lún này nằm trong giới hạn an toàn cho các công trình xung quanh.

  3. Hiệu quả của phương pháp Jet-Grouting: Thí nghiệm và mô phỏng cho thấy phương pháp trộn sâu Jet-Grouting giúp tăng cường sức chịu tải của nền đất yếu, giảm độ nén lún và hệ số rỗng, đồng thời cải thiện độ ổn định gương hầm. Lượng vữa phụt trung bình đạt 0.7 m³/m chiều dài hầm, với áp lực phụt tối đa không vượt quá 25% áp lực địa tải tại độ sâu thi công.

  4. Kiểm soát áp lực cân bằng gương hầm: Việc duy trì áp lực vữa bơm phía sau vỏ hầm kịp thời và ổn định giúp giảm biến dạng hướng tâm và hạn chế mất mát thể tích đất nền. Áp lực cân bằng gương hầm được duy trì trong khoảng 80-90% áp lực đất bên ngoài, đảm bảo ổn định trong quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng lún và mất ổn định gương hầm là do đặc tính cơ lý yếu kém của đất sét mềm và bùn, kết hợp với áp lực nước ngầm cao. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả lún bề mặt và mất mát thể tích phù hợp với các mô hình lý thuyết của Peck và O’Reilly & New, đồng thời phản ánh đúng thực tế thi công tại các đô thị lớn.

Việc áp dụng phương pháp Jet-Grouting không chỉ cải thiện tính chất cơ lý của đất mà còn giúp giảm thiểu rủi ro sụp lở và biến dạng hầm. Mô hình GIN trong thiết kế công tác phụt vữa được đánh giá cao về khả năng kiểm soát áp lực và lượng vữa, từ đó tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong lún Gaussian, bảng tổng hợp chỉ số cơ lý đất yếu, và đồ thị áp lực phụt theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các biện pháp xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp Jet-Grouting đồng bộ trong thi công hầm metro: Thực hiện phun phụt vữa áp lực cao trước và trong quá trình đào để gia cố nền đất yếu, giảm lún bề mặt xuống dưới 10 mm. Thời gian thực hiện theo từng đoạn hầm, ưu tiên các khu vực có địa chất yếu nhất. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn địa kỹ thuật.

  2. Kiểm soát áp lực cân bằng gương hầm bằng hệ thống bơm vữa tự động: Lắp đặt hệ thống bơm vữa dọc theo vỏ khiên đào để duy trì áp lực ổn định, hạn chế biến dạng hướng tâm. Thời gian bơm vữa cần được thực hiện ngay sau khi khiên đào vượt qua, đảm bảo không để khoảng hở tồn tại lâu. Chủ thể thực hiện là đội thi công máy đào Shield-TBM.

  3. Tăng cường giám sát và đo đạc biến dạng đất nền trong quá trình thi công: Sử dụng các phương pháp đo đạc vi địa chấn, siêu âm và quan trắc lún bề mặt để phát hiện sớm các biến dạng bất thường, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Thời gian giám sát liên tục trong suốt quá trình thi công. Chủ thể thực hiện là đơn vị tư vấn giám sát và chủ đầu tư.

  4. Đào tạo nâng cao tay nghề công nhân và kỹ sư vận hành máy đào Shield-TBM: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật vận hành, kiểm soát áp lực và xử lý sự cố trong thi công hầm đất yếu. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và nhà thầu thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp các phương pháp phân tích và xử lý đất yếu chi tiết, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công công trình ngầm.

  2. Nhà thầu thi công hầm metro và công trình ngầm: Áp dụng các giải pháp công nghệ Jet-Grouting và kiểm soát áp lực gương hầm để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo tiến độ thi công.

  3. Chủ đầu tư và quản lý dự án giao thông đô thị: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn và chất lượng công trình hầm metro, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và giám sát phù hợp.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng cầu hầm: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn phong phú, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các công nghệ thi công hầm trong nền đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao việc xử lý đất yếu khi thi công hầm metro lại quan trọng?
    Việc xử lý đất yếu giúp giảm lún bề mặt và ổn định gương hầm, tránh gây ảnh hưởng đến các công trình xung quanh và đảm bảo an toàn cho công trình metro. Ví dụ, lún quá mức có thể làm hư hại các tòa nhà cao tầng gần đó.

  2. Phương pháp Jet-Grouting có ưu điểm gì trong xử lý đất yếu?
    Jet-Grouting tạo ra các cột xi măng đất có độ bền cao, cải thiện sức chịu tải và giảm biến dạng đất nền. Phương pháp này linh hoạt, thích hợp với nhiều loại đất yếu và được ứng dụng rộng rãi trong thi công hầm metro.

  3. Làm thế nào để kiểm soát áp lực cân bằng gương hầm khi đào bằng Shield-TBM?
    Sử dụng hệ thống bơm vữa phía sau vỏ hầm để duy trì áp lực cân bằng với áp lực đất bên ngoài, giảm biến dạng hướng tâm. Việc bơm vữa cần thực hiện kịp thời ngay sau khi khiên đào vượt qua vị trí đó.

  4. Các chỉ số cơ lý nào được dùng để phân biệt đất yếu?
    Độ nhảy St và tỉ lệ chỉ số nén c là hai chỉ số quan trọng để phân biệt đất yếu, đặc biệt là đất sét khó dự đoán. Khi tỉ lệ c ≥ 1.0, đất được xem là đất yếu cần xử lý đặc biệt.

  5. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 2D và Plaxis 3D Tunnel được dùng để mô phỏng quá trình đào hầm và đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp xử lý đất yếu, giúp dự đoán lún bề mặt và áp lực gương hầm chính xác hơn.

Kết luận

  • Đất yếu tại tuyến metro 3B thuộc nhóm đất sét khó kiểm soát, có đặc tính cơ lý yếu kém, đòi hỏi biện pháp xử lý chuyên sâu.
  • Mất mát thể tích đất nền và lún bề mặt trong quá trình thi công hầm bằng Shield-TBM được dự đoán và kiểm soát hiệu quả nhờ mô hình lý thuyết và mô phỏng số.
  • Phương pháp Jet-Grouting là giải pháp ưu việt giúp gia cố nền đất yếu, giảm biến dạng và tăng độ ổn định hầm.
  • Kiểm soát áp lực cân bằng gương hầm bằng hệ thống bơm vữa tự động là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn thi công.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp công nghệ và quy trình giám sát phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả và độ an toàn của các dự án hầm metro trong điều kiện đất yếu.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các phương pháp xử lý đất yếu mới và công nghệ thi công hiện đại. Đề nghị các nhà quản lý dự án và kỹ sư thi công phối hợp chặt chẽ để đảm bảo thành công của các công trình metro trong tương lai.