Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công hầm trong các công trình xây dựng tại các khu vực có địa chất phức tạp, đặc biệt là vùng đất yếu như Thành phố Hồ Chí Minh, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả. Theo báo cáo của ngành xây dựng, độ sâu đào hầm thường dao động từ 7 đến 9 mét so với mặt đất, trong khi lớp đất yếu dày lên đến hàng chục mét, gây ra nhiều thách thức trong việc kiểm soát chuyển vị và biến dạng của vách chắn liên tục (continuous bored pile wall). Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của việc bố trí cọc xi măng đất (Soil-Cement Deep Mixing - CDM) đến chuyển vị ngang của vách chắn liên tục trong quá trình thi công hầm, từ đó đề xuất phương án bố trí phù hợp nhằm giảm thiểu biến dạng và đảm bảo an toàn công trình.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình hầm tại Thành phố Hồ Chí Minh, với mô hình phân tích được xây dựng dựa trên dữ liệu thực tế của một số dự án lớn như Cecico 135 Tower, Kingdom 101, The Marq, có độ sâu đào hầm từ 9 đến 28 mét. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis 3D-2013 để mô phỏng quá trình thi công và đánh giá hiệu quả của các phương án bố trí CDM. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu chuyển vị ngang của vách chắn, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công, đồng thời góp phần giảm chi phí và thời gian thi công hầm trong điều kiện đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết Mohr-Coulomb về ứng xử cơ học của đất và mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) để mô phỏng biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công. Mô hình Mohr-Coulomb được sử dụng để mô tả đặc tính cơ học của đất yếu và cọc xi măng đất, trong khi FEM giúp phân tích chi tiết sự tương tác giữa vách chắn và các cọc CDM.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Vách chắn liên tục (Diaphragm Wall): cấu trúc chịu lực chính trong thi công hầm, có vai trò giữ ổn định thành hố đào.
  • Cọc xi măng đất (Soil-Cement Deep Mixing - CDM): phương pháp gia cố đất bằng cách trộn xi măng vào đất yếu để tăng cường độ và giảm biến dạng.
  • Chuyển vị ngang của vách chắn: biến dạng quan trọng cần kiểm soát để đảm bảo an toàn công trình.
  • Phân tích 3D: mô hình hóa công trình và địa chất theo không gian ba chiều nhằm tăng độ chính xác trong dự báo biến dạng.
  • Mô hình Mohr-Coulomb: mô hình ứng xử đàn hồi-plastic của đất, dùng để mô phỏng ứng suất và biến dạng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các dự án thi công hầm thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm số liệu quan trắc chuyển vị vách chắn qua các chu kỳ thi công, đặc tính cơ lý của đất và vật liệu CDM. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các vị trí quan trắc tại ít nhất ba công trình lớn với độ sâu đào hầm từ 7 đến 28 mét.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 3D-2013, mô phỏng quá trình thi công hầm theo từng giai đoạn, bao gồm thi công vách chắn, gia cố CDM và đào đất. Phương pháp chọn mẫu là chọn các vị trí quan trắc đại diện cho các vùng đất yếu khác nhau trong khu vực nghiên cứu. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của bố trí CDM đến chuyển vị ngang vách chắn: Kết quả mô phỏng cho thấy việc bố trí CDM hợp lý có thể giảm chuyển vị ngang của vách chắn từ khoảng 15% đến 30% so với phương án không sử dụng CDM. Ví dụ, tại vị trí QT2, chuyển vị ngang giảm từ 12 mm xuống còn khoảng 8 mm khi bố trí CDM đúng cách.

  2. Hiệu quả của mô hình phân tích 3D: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế cho thấy mô hình 3D có độ chính xác cao, sai số chuyển vị ngang dưới 10%, giúp dự báo biến dạng vách chắn trong quá trình thi công một cách tin cậy.

  3. Tác động của khoảng cách và mật độ CDM: Mật độ CDM cao và khoảng cách bố trí nhỏ hơn 1.5 m giúp tăng cường hiệu quả gia cố, giảm biến dạng vách chắn đáng kể. Tuy nhiên, mật độ quá cao không mang lại hiệu quả kinh tế do chi phí tăng.

  4. Ảnh hưởng của đặc tính đất và chiều sâu đào: Đất yếu có độ dẻo cao và chiều sâu đào lớn hơn 10 m làm tăng chuyển vị ngang vách chắn, đòi hỏi bố trí CDM kỹ lưỡng hơn để đảm bảo an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm chuyển vị ngang khi sử dụng CDM là do tăng cường độ và độ cứng của đất nền quanh vách chắn, giúp phân phối lại ứng suất và hạn chế biến dạng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hiệu quả của CDM trong gia cố đất yếu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mô hình 3D và phương pháp phân tích FEM được đánh giá cao về độ tin cậy và khả năng ứng dụng trong thực tế, đặc biệt với các công trình có hình học phức tạp. Việc sử dụng phần mềm Plaxis 3D giúp mô phỏng chính xác các giai đoạn thi công và tương tác giữa các cấu kiện công trình.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và thi công vách chắn hầm an toàn, giảm thiểu rủi ro biến dạng và sụt lún, đồng thời tối ưu chi phí và tiến độ thi công. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang theo thời gian thi công và bảng so sánh hiệu quả các phương án bố trí CDM.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa bố trí CDM: Hành động bố trí CDM với mật độ khoảng 1.2 - 1.5 m, ưu tiên các vị trí có chuyển vị lớn để giảm biến dạng vách chắn, thực hiện trong giai đoạn chuẩn bị thi công hầm. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  2. Áp dụng mô hình phân tích 3D: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D hoặc tương đương để mô phỏng và đánh giá biến dạng vách chắn trước khi thi công, giúp dự báo chính xác và điều chỉnh phương án kịp thời. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thiết kế và chuẩn bị thi công.

  3. Giám sát chuyển vị vách chắn: Lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất tại các vị trí trọng yếu, đặc biệt là các điểm gần CDM, để theo dõi biến dạng thực tế và so sánh với mô hình dự báo. Chủ thể là chủ đầu tư và đơn vị giám sát thi công.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật thi công CDM và phân tích FEM cho kỹ sư xây dựng, nhằm nâng cao chất lượng thi công và quản lý dự án. Thời gian thực hiện liên tục trong quá trình triển khai dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích hiện đại để thiết kế vách chắn hầm phù hợp với điều kiện đất yếu, giúp tối ưu hóa giải pháp kỹ thuật.

  2. Nhà thầu thi công hầm: Tham khảo các phương án bố trí CDM hiệu quả, kỹ thuật thi công và giám sát chuyển vị nhằm đảm bảo an toàn và tiến độ thi công.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch giám sát biến dạng, đánh giá rủi ro và điều chỉnh phương án thi công kịp thời.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích biến dạng công trình, cũng như các kỹ thuật gia cố đất yếu hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. CDM là gì và tại sao quan trọng trong thi công hầm?
    CDM (Soil-Cement Deep Mixing) là phương pháp gia cố đất yếu bằng cách trộn xi măng vào đất để tăng cường độ và độ cứng. Phương pháp này giúp giảm chuyển vị và biến dạng vách chắn, đảm bảo an toàn cho công trình hầm.

  2. Mô hình phân tích 3D có ưu điểm gì so với mô hình 2D?
    Mô hình 3D mô phỏng chính xác hình học phức tạp và tương tác đa chiều giữa các cấu kiện công trình, từ đó dự báo biến dạng và ứng suất chính xác hơn, phù hợp với các công trình hiện đại.

  3. Làm thế nào để xác định mật độ bố trí CDM phù hợp?
    Mật độ CDM được xác định dựa trên đặc tính đất, chiều sâu đào và mức độ chuyển vị cho phép. Nghiên cứu cho thấy khoảng cách 1.2 - 1.5 m là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí.

  4. Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 3D được dùng để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, mô phỏng quá trình thi công từng giai đoạn, phân tích chuyển vị và ứng suất của vách chắn và CDM, từ đó đánh giá hiệu quả các phương án bố trí.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào Thành phố Hồ Chí Minh, phương pháp và kết quả có thể tham khảo và điều chỉnh áp dụng cho các khu vực có điều kiện địa chất tương tự, đặc biệt là vùng đất yếu và có lớp đất mềm dày.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của bố trí cọc xi măng đất (CDM) đến chuyển vị ngang của vách chắn liên tục trong thi công hầm tại vùng đất yếu Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D với phần mềm Plaxis 3D cho kết quả dự báo chính xác, phù hợp với số liệu quan trắc thực tế.
  • Bố trí CDM hợp lý giúp giảm chuyển vị ngang vách chắn từ 15% đến 30%, nâng cao an toàn và hiệu quả thi công.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý thi công nhằm tối ưu hóa bố trí CDM và giám sát biến dạng công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng mô hình 3D trong thiết kế thực tế, đào tạo kỹ thuật thi công CDM và mở rộng nghiên cứu cho các điều kiện địa chất khác.

Hành động ngay hôm nay: Các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên áp dụng mô hình phân tích 3D và tối ưu hóa bố trí CDM để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công hầm trong điều kiện đất yếu.