Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống Metro là giải pháp giao thông hiện đại, được áp dụng rộng rãi tại hơn 100 thành phố trên thế giới nhằm giải quyết các vấn đề ùn tắc và ô nhiễm giao thông đô thị. Tại Việt Nam, đặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh – đô thị lớn thứ hai cả nước với dân số đông và nhu cầu giao thông ngày càng tăng cao, việc xây dựng tuyến Metro Bến Thành – Ba Son là một bước tiến quan trọng trong phát triển hạ tầng giao thông công cộng. Tuy nhiên, quá trình thi công tuyến Metro ngầm này có thể gây ảnh hưởng đến các công trình lân cận, đặc biệt là các công trình có móng cọc nằm gần tuyến hầm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá ảnh hưởng của quá trình thi công tuyến Metro Bến Thành – Ba Son đến trạng thái ứng suất và biến dạng của móng cọc các công trình lân cận, cụ thể là chung cư số 5 Nguyễn Siêu và Nhà ga Nhà hát thành phố. Nghiên cứu sử dụng mô hình số hóa bằng phần mềm PLAXIS với các mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening Soil để mô phỏng chuyển vị và nội lực phát sinh trong móng cọc. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn thi công bằng phương pháp khiên đào TBM, trong khu vực thành phố Hồ Chí Minh, với thời gian nghiên cứu từ năm 2014 đến 2015.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho các kỹ sư thiết kế và thi công trong việc lựa chọn biện pháp thi công phù hợp, đồng thời cảnh báo và đề xuất các giải pháp bảo vệ an toàn cho các công trình hiện hữu xung quanh tuyến Metro. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần nâng cao hiệu quả quản lý rủi ro và đảm bảo an toàn công trình trong quá trình phát triển hạ tầng giao thông đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ học đất nền và kết cấu hầm ngầm, bao gồm:

  • Cơ chế phá hoại khi thi công đường hầm: Ba cơ chế phá hoại MI, MII, MIII được nghiên cứu theo Leca và Dormieux (1990), mô tả các dạng sập lở và trồi đất quanh gương đào hầm. Các cơ chế này được phân tích dựa trên các hệ số tải trọng và áp lực đất ngang chủ động, bi động theo Rankine.

  • Mô hình tính toán ổn định và biến dạng đất nền: Mair và Taylor (1993) phát triển các công thức tính chuyển vị và ứng suất trong đất nền quanh hầm dựa trên mô hình hình trụ tròn và hình cầu, kết hợp với các hệ số ổn định và sức kháng cắt không thoát nước của đất.

  • Phương pháp cân bằng giới hạn và áp lực cân bằng: Kovari và Anagnostou (1996) phát triển mô hình cân bằng giới hạn cho gương đào hầm, tính toán áp lực chống đỡ mặt gương dựa trên các tham số địa chất và áp lực vữa sét trong quá trình thi công bằng khiên đào áp lực.

  • Phương pháp mô phỏng biến dạng lún mặt đất: Schmidt-Peck (1969) và Attewell & Woodman (1982) sử dụng mô hình đường cong Gaussian để mô tả phân bố biến dạng lún theo phương ngang và dọc tuyến hầm.

  • Nghiên cứu ảnh hưởng của hầm đến móng cọc: Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng tại Nhật Bản, Singapore, Anh và các nước phát triển khác cho thấy thi công hầm Metro có thể gây ra chuyển vị, biến dạng và thay đổi nội lực trong móng cọc, đòi hỏi các biện pháp gia cố và kiểm soát phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị móng cọc, nội lực trong móng, áp lực đất ngang chủ động và bi động, mô hình Mohr-Coulomb, mô hình Hardening Soil, và hệ số ổn định đất nền.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số với phần mềm PLAXIS 2D, áp dụng mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening Soil để phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của móng cọc trong quá trình thi công tuyến Metro Bến Thành – Ba Son.

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu địa chất, thông số vật liệu, kích thước và vị trí công trình, cũng như các thông số thi công thực tế của tuyến Metro. Cỡ mẫu mô hình được xây dựng dựa trên khu vực khảo sát thực tế gồm Nhà ga Nhà hát thành phố và chung cư số 5 Nguyễn Siêu, với các điểm quan trắc chuyển vị và nội lực được xác định rõ ràng.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các công trình đại diện có móng cọc gần tuyến Metro để đánh giá ảnh hưởng trực tiếp. Phân tích được thực hiện theo các giai đoạn thi công hầm, bao gồm đào hầm dưới và trên, lắp đặt vỏ hầm, và các biện pháp gia cố.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2014 đến tháng 12/2015, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị lớn nhất tại Nhà ga Nhà hát thành phố: Kết quả mô phỏng cho thấy chuyển vị lớn nhất tác dụng lên sàn đáy nhà ga là $S_{ix} = 18,02$ mm, chuyển vị đất nền lớn nhất là $S_{max} = 27,89$ mm. Các giá trị này đều nhỏ hơn giới hạn lún lớn nhất cho phép theo tiêu chuẩn TCVN 9362-2012 (80 mm).

  2. Chuyển vị tại chung cư số 5 Nguyễn Siêu: Chuyển vị lớn nhất của sàn trệt là $S_{px} = 22,01$ mm, chuyển vị lớn nhất của hệ móng cọc là $S_{max} = 24,97$ mm, cũng nằm trong giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn.

  3. Ảnh hưởng của khoảng cách và vị trí thi công hầm: Khi thi công hai hầm song song, khoảng cách giữa hai hầm ảnh hưởng đến chuyển vị và nội lực trong hầm thứ nhất. Ví dụ, khi khoảng cách hai tim hầm là 2,9 m, chuyển vị ngang thay đổi khoảng 21,7 mm, giảm dần khi khoảng cách tăng lên.

  4. Nội lực trong vỏ hầm: Nội lực dọc lớn nhất trong vỏ hầm dao động theo chiều sâu chôn hầm, với giá trị lớn nhất khoảng 140 kN/m tại độ sâu 15 m. Chuyển vị và nội lực giảm khi độ sâu chôn hầm tăng từ 6 đến 12 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các chuyển vị và nội lực phát sinh chủ yếu do quá trình đào hầm bằng khiên đào TBM gây ra sự thay đổi ứng suất và biến dạng trong đất nền và móng cọc. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, cho thấy chuyển vị móng cọc và lún mặt đất giảm dần theo chiều sâu đặt hầm và khoảng cách từ hầm đến công trình.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy biện pháp thi công bằng khiên đào TBM có thể kiểm soát được mức độ ảnh hưởng đến công trình lân cận, miễn là các thông số thi công và thiết kế được tuân thủ nghiêm ngặt. Việc sử dụng mô hình PLAXIS với mô hình Hardening Soil giúp mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến và biến dạng của đất nền.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị theo chiều sâu, bảng tổng hợp nội lực và chuyển vị tại các điểm quan trắc, giúp minh họa rõ ràng mức độ ảnh hưởng và hỗ trợ việc ra quyết định kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát khoảng cách thi công hầm: Đề nghị duy trì khoảng cách tối thiểu giữa các hầm song song là trên 10 m để giảm thiểu ảnh hưởng chuyển vị và nội lực lên hầm hiện hữu, đảm bảo an toàn kết cấu.

  2. Giám sát chuyển vị công trình lân cận: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất tại các công trình gần tuyến Metro trong suốt quá trình thi công, nhằm phát hiện sớm các biến dạng bất thường và có biện pháp xử lý kịp thời.

  3. Áp dụng biện pháp gia cố móng cọc: Đối với các công trình có móng cọc nằm trong vùng ảnh hưởng, cần thực hiện gia cố móng bằng phun vữa hoặc bê tông cường độ cao để tăng khả năng chịu lực và hạn chế lún lệch.

  4. Tối ưu hóa biện pháp thi công TBM: Điều chỉnh áp lực cân bằng khiên đào, tốc độ đào và quy trình lắp đặt vỏ hầm để giảm thiểu biến dạng đất nền và chuyển vị móng cọc, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư thiết kế và thi công về mô hình hóa số và phân tích ảnh hưởng thi công hầm Metro, nâng cao khả năng dự báo và xử lý các tình huống phức tạp.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm, phối hợp giữa chủ đầu tư, nhà thầu thi công, cơ quan quản lý và các chuyên gia kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và móng cọc: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế móng cọc và hệ thống hầm Metro phù hợp với điều kiện địa chất và công trình hiện hữu.

  2. Nhà thầu thi công hầm Metro: Tham khảo các phân tích ảnh hưởng thi công và biện pháp kiểm soát chuyển vị, giúp tối ưu quy trình thi công, giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và giao thông đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn giám sát và đánh giá an toàn công trình trong quá trình phát triển hạ tầng Metro.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp mô phỏng và phân tích ảnh hưởng thi công hầm Metro, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình thi công tuyến Metro Bến Thành – Ba Son ảnh hưởng như thế nào đến các công trình lân cận?
    Quá trình thi công gây ra chuyển vị và biến dạng trong đất nền và móng cọc, tuy nhiên các giá trị chuyển vị được mô phỏng đều nhỏ hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn TCVN 9362-2012, đảm bảo an toàn cho công trình lân cận.

  2. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng thi công?
    Phần mềm PLAXIS 2D với mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening Soil được sử dụng để mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng của móng cọc trong quá trình thi công hầm Metro.

  3. Khoảng cách tối thiểu giữa hai hầm song song nên là bao nhiêu để giảm thiểu ảnh hưởng?
    Nghiên cứu đề xuất khoảng cách tối thiểu trên 10 m giữa hai hầm song song để hạn chế chuyển vị và nội lực phát sinh trong hầm hiện hữu.

  4. Các biện pháp gia cố móng cọc nào được khuyến nghị?
    Phun vữa hoặc bê tông cường độ cao được khuyến nghị để gia cố móng cọc nhằm tăng khả năng chịu lực và giảm lún lệch trong quá trình thi công hầm Metro.

  5. Làm thế nào để giám sát an toàn công trình trong quá trình thi công?
    Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất tại các công trình lân cận, theo dõi liên tục và xử lý kịp thời các biến dạng bất thường để đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích và mô phỏng thành công ảnh hưởng của quá trình thi công tuyến Metro Bến Thành – Ba Son đến móng cọc các công trình lân cận tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Kết quả cho thấy chuyển vị và nội lực phát sinh đều nằm trong giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn TCVN 9362-2012.
  • Khoảng cách thi công và biện pháp thi công TBM có ảnh hưởng rõ rệt đến mức độ biến dạng và ứng suất trong móng cọc.
  • Đề xuất các giải pháp kiểm soát chuyển vị, gia cố móng và giám sát kỹ thuật nhằm đảm bảo an toàn công trình trong quá trình thi công.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và áp dụng mô hình 3D để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quản lý thi công hầm Metro.

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công, các bên liên quan cần phối hợp chặt chẽ trong việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật và giám sát thực tế. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần phát triển bền vững hệ thống giao thông đô thị hiện đại tại TP. Hồ Chí Minh.