Tổng quan luận án

Đề tài "Phân tích ổn định khối đất trước gương hầm" được nghiên cứu sinh Nguyễn Anh Tuấn thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng (Mã số chuyên ngành: 62.01), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Châu Ngọc Ẩn và PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm (cùng sự đồng hành trong giai đoạn 2010–2014 của cố PGS. Trần Xuân Thọ). Luận án được bảo vệ năm 2018.

Tính cấp thiết của luận án gắn liền với quy hoạch phát triển mạng lưới giao thông công cộng sức chở lớn tại Thành phố Hồ Chí Minh. Theo quy hoạch được nêu trong văn bản, thành phố định hướng xây dựng 6 tuyến metro, 3 tuyến xe điện mặt đất và 2 tuyến đường sắt nhẹ trên cao; trong đó tuyến metro số 1 (Bến Thành – Suối Tiên) và tuyến số 2 (Bến Thành – Tham Lương) đã được triển khai thi công. Khu vực trung tâm thành phố có mật độ công trình cao và không gian mặt đất hạn hẹp, do đó giải pháp đặt các tuyến đường sắt đô thị đi ngầm bằng công nghệ khiên đào cân bằng áp lực đất (EPB-TBM) là phương án được lựa chọn. Tuy nhiên, việc vận hành khiên đào đẩy về phía trước gây áp lực và chuyển vị lên khối đất nền, trực tiếp đe dọa an toàn của các công trình hạ tầng lân cận.

Về khoảng trống nghiên cứu, tác giả chỉ ra rằng trong nhiều thập kỷ qua, các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tập trung vào việc khảo sát và tính toán áp lực chủ động tác dụng lên gương hầm (nhằm ngăn chặn hiện tượng sập lở gương đào khi áp lực chống đỡ bị thiếu hụt). Ngược lại, vấn đề áp lực phá hoại bị động tác dụng lên gương hầm khi kích đẩy khiên tiến về phía trước, cũng như cơ chế biến dạng của khối đất tương ứng, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, số lượng công trình công bố còn rất hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm 4 nội dung:

  • a) Xác định cơ chế phá hoại của khối đất trước gương hầm trong quá trình thi công;
  • b) Đo áp lực phá hoại bị động tác dụng lên gương hầm khi gương hầm tiến lên;
  • c) Thiết lập công thức tính áp lực phá hoại bị động tại gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa;
  • d) Phân tích cơ chế biến dạng bề mặt đất gây ra bởi chuyển vị gương hầm trong đất cát.

Đối tượng nghiên cứu là trạng thái ổn định và biến dạng của khối đất nằm ở phía trước gương hầm chịu tác động của áp lực bị động sinh ra trong quá trình khiên đào dịch chuyển tịnh tiến. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các mô hình thí nghiệm ly tâm tỉ lệ 1/100 được tiến hành tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong (HKUST). Nền địa chất mô phỏng là địa tầng hai lớp gồm lớp cát trạng thái chặt vừa nằm bên trên lớp sét cứng. Thí nghiệm khảo sát hai trường hợp tỷ số chiều sâu lớp phủ trên đường kính hầm ($C/D$) là 1,5 và 3,3 (trong đó $C$ là chiều dày tầng đất phủ trên đỉnh hầm, $D$ là đường kính hầm). Mô hình nghiên cứu chỉ xét quá trình gương hầm tịnh tiến về phía trước gây áp lực phá hoại bị động và trồi đất, không xét đến yếu tố mất mát thể tích đào (volume loss).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu hiện hữu về ổn định gương hầm và biến dạng khối đất trước gương đào qua bốn nhóm phương pháp chính:

Nhóm nghiên cứu lý thuyết:

  • Broms & Bennermark (1967) đề xuất hệ số ổn định không thoát nước $N = (\sigma_{ob} - \sigma_T)/S_u \le 6$ để đánh giá gương hầm ổn định trong đất dính, liên hệ giữa áp lực chống đỡ $\sigma_T$ và ứng suất tới hạn $\sigma_{ob}$.
  • Davis và các cộng sự (1980, 1984) đã xây dựng bốn cơ chế phá hoại cận trên và phân tích cận dưới cho hầm tròn biến dạng phẳng, xác định các góc trượt $\theta_1, \theta_2, \theta_3$ với $\tan \theta_1 = \tan \theta_2 = 2\sqrt{C/D + 1/4}$, chỉ ra rằng tại $C/D = 1,5$, giới hạn cận trên và cận dưới của $N$ dao động trong khoảng 2,9 đến 3,4.
  • Atkinson & Mair (1981), Atkinson & Potts (1977), Kimura & Mair (1981) đề xuất các hệ số ổn định $T_c, T_s, T_\gamma$ tương đương với các hệ số sức chịu tải của móng ($N_c, N_q, N_\gamma$), phụ thuộc hình học hầm và biến dạng của đất. Mair (1981) đưa ra hệ số tải $LF = (\sigma_{v0} - \sigma_i)/(\sigma_{v0} - \sigma_{ic})$ để định lượng mức an toàn chống phá hoại gương hầm.
  • Horn (1961), Kovári & Anagnostou (1996) thiết lập mô hình cân bằng giới hạn 3D gồm khối nêm lăng trụ phía trước gương đào và khối lăng trụ thẳng đứng phía trên kéo dài lên mặt đất, xác định áp lực chống đỡ mặt gương $S$ theo góc mặt trượt $\omega$.
  • Mollon và các cộng sự (2009) mở rộng phân tích giới hạn cận trên bằng mô hình đa khối ba chiều kinematical cải tiến từ công trình của Leca & Dormieux (1990) cho hầm tròn đặt nông trong đất dính.

Nhóm nghiên cứu thực nghiệm hiện trường:

  • J. Shirlaw (1994) phân tích số liệu quan trắc từ 5 tuyến hầm Furongjiang đào bằng khiên EPB, đối chiếu với các tuyến metro N-2 (San Francisco), ULU Pandan và 30I (Singapore), Taipei Main B (Đài Loan), làm rõ mối tương quan giữa áp lực chống đỡ và áp lực tới hạn tại trục tim hầm.
  • Phienwej (2012) khảo sát chuyển vị đất dọc theo trục hầm khi thi công metro Bangkok bằng 8 khiên đào EPB ($D = 6,3\text{ m}$ trong đất sét mềm), xác định khoảng áp lực chống đỡ hiệu quả từ 150 đến 200 kPa giúp chuyển vị đất trước gương hầm đạt mức tối thiểu.
  • Wei-I Chou & Antonio Bobet (2001) tổng hợp số liệu thực tế từ 14 công trình hầm trên thế giới để kiểm chứng hệ số ổn định $N$ của Broms & Bennermark.
  • Sang-Hwan Kim và các cộng sự (2006) quan trắc ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và mô-men xoắn lưỡi cắt tại hầm qua sông Geum ($D = 3,5\text{ m}$, đất cát bụi) và sông Nakdong ($D = 3,4\text{ m}$, đất sét) ở Hàn Quốc.
  • Kanayasu thống kê dữ liệu áp lực chống đỡ thực tế tại các công trình sử dụng khiên EPB và khiên vữa sét (Slurry shield), chỉ ra áp lực phụ thêm duy trì trong buồng đào thường ở mức xấp xỉ 20 kPa:
Loại khiên đào Đường kính hầm (m) Điều kiện địa tầng Quy luật áp lực chống đỡ áp dụng
EPB 7,45 Bùn yếu Áp lực đất
EPB 8,21 Cát, đất dính Áp lực đất + Áp lực nước + 20 kPa
EPB 5,54 Cát hạt mịn Áp lực đất + Áp lực nước + Áp lực phụ thêm
EPB 4,93 Cát, đất dính Áp lực đất + 30 đến 50 kPa
EPB 2,48 Sỏi, đá gốc, đất dính Áp lực đất + Áp lực nước
EPB 7,78 Sỏi, đất dính, bùn yếu Áp lực đất chủ động + Áp lực nước
EPB 7,35 Bùn yếu Áp lực đất + 10 kPa
EPB 5,86 Đất dính trạng thái yếu Áp lực đất + 20 kPa
Khiên vữa 6,63 Sỏi Áp lực nước + 10 đến 20 kPa
Khiên vữa 7,04 Đất dính Áp lực đất
Khiên vữa 6,84 Đất dính yếu, cát lũ tích Áp lực đất chủ động + Áp lực nước + 20 kPa
Khiên vữa 7,45 Đất cát, đất dính, sỏi Áp lực nước + 30 kPa
Khiên vữa 10,00 Đất cát, đất dính, sỏi Áp lực nước + 40 đến 80 kPa
Khiên vữa 7,45 Đất cát Áp lực đất mất mát + Áp lực nước + Áp lực phụ thêm
Khiên vữa 10,58 Đất cát, đất dính Áp lực đất chủ động + Áp lực nước + 20 kPa
Khiên vữa 7,25 Cát, sỏi, đất dính yếu Áp lực nước + 30 kPa

Nhóm nghiên cứu mô hình vật lý và ly tâm:

  • Atkinson & Potts (1977) thực hiện thí nghiệm mô hình ly tâm ở gia tốc 75g với đường kính hầm 60 mm trong cát khô Leighton Buzzard (hệ số rỗng 0,52) để đánh giá giải pháp cận trên và cận dưới của áp lực phá hoại chủ động.
  • Gregor Idinger và các cộng sự (2011) vận hành 6 thí nghiệm ly tâm tại gia tốc 50g với mô hình nửa hầm tròn ($D = 5\text{ m}$ nguyên mẫu) trong cát khô ở ba tỷ số $C/D = 0,5; 1,0; 1,5$, ghi nhận áp lực chống đỡ ổn định ở mức 6 đến 9 kN/m² khi piston dịch chuyển từ 3% đến 5% D.
  • Pavlos Vardoulakis và các cộng sự (2009) thực hiện 9 mô hình thí nghiệm thu nhỏ ($D = 7\text{ m}$ nguyên mẫu) tại $C/D = 0,5; 1; 2$ trong cát khô.
  • Chambon & Corte (1994) nghiên cứu cơ chế phá hoại chủ động trong cát khô với dải $C/D$ từ 0,5 đến 4,0, mô phỏng các đường kính hầm 5 m, 10 m và 13 m.
  • Kamata & Mashimo (2003) thí nghiệm ở 25g và 30g với cát Toyoura ($C/D = 1,0$), ghi nhận vùng phá hoại mở rộng ra phía trước gương hầm từ 0,2D đến 0,3D và trồi lên mặt đất tại 30g.
  • Kuwano (2004) thực hiện 9 thí nghiệm ly tâm ở 80g trong cát Toyoura ($C/D = 2; 4; 6$, đường kính 4 m), xác định vùng phá hoại đạt tới mặt đất trong phạm vi 3D đến 3,5D tính từ đỉnh hầm.
  • Wong và các cộng sự (2012) khảo sát áp lực phá hoại bị động trong cát Toyoura bão hòa tại gia tốc 100g ($D = 5\text{ m}$ nguyên mẫu) cho hai trường hợp $C/D = 2,2$ và 4,3, chỉ ra hệ số áp lực bị động $N_{\gamma m}$ tiệm cận giá trị cận trên của Soubra (2002) khi độ dịch chuyển tương đối $S_x/D = 0,8$.

Nhóm mô phỏng số (phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn):

  • Vermeer và các cộng sự (2002) dùng mô phỏng phần tử hữu hạn 3D thiết lập phương trình áp lực chống đỡ nhỏ nhất $P_f = c N_c + q N_q + \gamma D N_\gamma$ cải tiến từ Anagnostou & Kovári (1996).
  • Talebinejad và các cộng sự (2011) mô phỏng 3D trên phần mềm FLAC 3D cho tuyến metro số 7 Tehran, so sánh giữa khiên đào hở và khiên EPB.
  • Pavlos Vardoulakis và các cộng sự (2009) dùng FLAC 3D kiểm chứng các cơ chế phá hoại lăng trụ theo độ sâu.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn: Hầu hết các công trình lý thuyết, thực nghiệm ly tâm và mô hình số nêu trên chỉ tập trung vào bài toán phá hoại chủ động (active failure) trong môi trường đất đồng nhất (cát thuần túy hoặc sét thuần túy). Rất ít nghiên cứu khảo sát sự phá hoại bị động (passive failure) và cơ chế biến dạng của đất khi gương hầm tiến về phía trước trong điều kiện địa tầng phân lớp. Luận án giải quyết trực tiếp khoảng trống này bằng việc phân tích thực nghiệm mô hình ly tâm trong nền hai lớp (cát phủ trên sét) dưới tác động của sự tịnh tiến gương hầm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án dựa trên lý thuyết phân tích giới hạn (Limit Analysis) trong cơ học đất, bao gồm hai định lý cơ bản:

  1. Định lý cận trên (Upper Bound Theorem): Dựa trên trường vận tốc tương thích động học. Luận án xem xét các nghiên cứu của Leca & Dormieux (1990) và Soubra (2002). Leca & Dormieux sử dụng các cơ chế phá hoại khối nón trượt (gồm các cơ chế MI, MII, MIII) với góc nghiêng hình học liên hệ mật thiết với góc ma sát trong của đất $\varphi$. Soubra (2002) cải tiến bằng cơ chế đa khối cứng năm khối (M1 cho phá hoại chủ động và M2 cho phá hoại bị động), tối ưu hóa các góc trượt để tìm giá trị cực trị của các hệ số áp lực $N_{\gamma c}, N_{sc}$ (cho trường hợp sụp đổ - collapse) và $N_{\gamma b}, N_{sb}$ (cho trường hợp đẩy trồi/phá hoại bị động - blowout).
  2. Định lý cận dưới (Lower Bound Theorem): Dựa trên trường ứng suất cân bằng tĩnh thỏa mãn điều kiện bền Mohr-Coulomb và các điều kiện biên ứng suất, sử dụng các trường ứng suất SI, SII, SIII để xác định cận dưới của các hệ số $N_s$ và $N_\gamma$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án sử dụng phương pháp mô hình hóa vật lý thông qua kỹ thuật mô hình ly tâm (Centrifuge modeling technique):

  • Thiết bị thí nghiệm: Máy ly tâm địa kỹ thuật tại Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong (HKUST).
  • Tỷ lệ mô hình: Thu nhỏ kích thước hình học $1/100$ ($N = 100$), mô phỏng trường ứng suất bản thân tương đương công trình nguyên mẫu bằng cách duy trì gia tốc ly tâm $100g$.
  • Địa tầng thí nghiệm: Mô hình nền hai lớp được tạo lập trong thùng chứa hình chữ nhật:
    • Lớp trên: Đất cát trạng thái chặt vừa.
    • Lớp dưới: Đất sét cứng.
  • Cơ chế vận hành gương hầm: Mô phỏng quá trình tiến lên của gương hầm bằng hệ thống kích đẩy tịnh tiến với vận tốc không đổi $v = 0,2\text{ mm/s}$ (tương ứng với tốc độ thi công ngoài thực tế là $15\text{ m/ngày}$). Quá trình chuyển vị kéo dài cho đến khi độ dịch chuyển đạt $40\text{ mm}$ thì dừng lại.

Nguồn tư liệu và hệ thống kỹ thuật đo đạc

Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống cảm biến chuyên dụng:

  • Đo chuyển vị bề mặt đất: Hệ thống các cảm biến biến dịch biến trở vi sai tuyến tính (LVDT - Linear Variable Differential Transformer, gồm các đầu đo LA, LB, LC, LD) bố trí dọc theo phương tim hầm và phương ngang vuông góc với tim hầm.
  • Đo chuyển vị trong khối đất: Sử dụng kỹ thuật đo vận tốc hình ảnh hạt (PIV - Particle Image Velocimetry). Một camera kỹ thuật số độ phân giải cao được lắp đặt đối diện với mặt kính trong suốt của thành hộp mô hình, kết hợp mạng lưới các điểm kiểm soát gắn trên bề mặt để chụp ảnh chuyển động của các hạt cát theo từng bước thời gian, từ đó xử lý trường véc-tơ chuyển vị của khối đất trước gương hầm.
  • Đo áp lực tác dụng lên gương đào: Các cảm biến lực (load cells) được gắn trực tiếp tại phần đầu gương hầm để ghi nhận liên tục sự gia tăng áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$ theo từng bước dịch chuyển $S_x/D$.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tổng quan về hệ thống đường sắt đô thị trên thế giới và định hướng tại Thành phố Hồ Chí Minh; sự cần thiết phải ứng dụng khiên đào cân bằng áp lực đất EPB-TBM; xác định tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu (4 mục tiêu a, b, c, d), đối tượng và phạm vi nghiên cứu (nền hai lớp, mô hình ly tâm tỷ lệ 1/100 tại HKUST, 2 trường hợp $C/D = 1,5$ và 3,3), phương pháp nghiên cứu và 4 điểm đóng góp mới của luận án.

Chương 1: Tổng quan về ổn định gương hầm và khối đất trước gương hầm

Chương này mô tả chi tiết công nghệ thi công hầm bằng khiên đào EPB-TBM: cấu tạo vỏ khiên thép, đầu cắt xoay rotor, buồng đào kín tạo áp lực cân bằng, hệ thống kích thủy lực tựa vào vỏ hầm đúc sẵn, cơ chế vận chuyển đất đá bằng vít tải và băng chuyền. Chương tổng kết ưu điểm (an toàn, tốc độ 10–20 m/ngày, không gián đoạn giao thông mặt đất, phù hợp địa tầng ngậm nước) và nhược điểm (chi phí cao khi chiều dài hầm dưới 750 m, yêu cầu khống chế chuyển vị khắt khe).

Chương 1 phân tích sâu các cơ chế chống đỡ gương hầm, tổng hợp toàn diện các nghiên cứu lý thuyết từ Broms & Bennermark (1967), Davis và cộng sự (1980), Atkinson & Mair (1981), Kovári & Anagnostou (1996), Mollon và cộng sự (2009); các đo đạc hiện trường của J. Shirlaw (1994), Phienwej (2012), Wei-I Chou & Antonio Bobet (2001), Sang-Hwan Kim và cộng sự (2006); các thí nghiệm mô hình ly tâm của Atkinson & Potts (1977), Gregor Idinger và cộng sự (2011), Vardoulakis và cộng sự (2009), Chambon & Corte (1994), Kamata & Mashimo (2003), Kuwano (2004), Wong và cộng sự (2012); và các mô phỏng PTHH 3D của Vermeer và cộng sự (2002), FLAC 3D của Talebinejad và cộng sự (2011).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích ổn định khối đất trước gương hầm

Chương 2 trình bày khung lý thuyết phân tích giới hạn để xác định áp lực phá hoại và cơ chế biến dạng:

  • Giải pháp cận trên: Khảo sát chi tiết mô hình khối nón trượt của Leca & Dormieux (1990) gồm cơ chế MI (một nón), MII (hai nón), MIII (ba nón) và mô hình đa khối phẳng của Soubra (2002) gồm cơ chế 5 khối M1 (phá hoại sụp đổ chủ động) và M2 (phá hoại đẩy trồi bị động). Phân tích sự suy giảm vận tốc dọc theo bề mặt trượt trơn và điều kiện động học tương thích. So sánh các hệ số $N_{\gamma c}, N_{sc}$ và $N_{\gamma b}, N_{sb}$ giữa hai mô hình lý thuyết.
  • Giải pháp cận dưới: Phân tích ba trường ứng suất cân bằng tĩnh SI, SII, SIII nhằm xác định cận dưới cho các hệ số sức chịu tải $N_s$ và $N_\gamma$ đối với trường hợp đất có ma sát ($\varphi > 0$) và thuần ma sát trong điều kiện không thoát nước ($\varphi = 0$).

Chương 3: Thiết lập thí nghiệm mô hình ly tâm phân tích ổn định khối đất trước gương hầm

Chương 3 trình bày các nguyên tắc cơ học mô hình ly tâm, định luật tỷ lệ (scaling laws) và kiểm soát sai số do gia tốc Coriolis và gia tốc hướng tâm không đều:

Đại lượng vật lý Ký hiệu Tỷ lệ (Mô hình / Nguyên mẫu)
Chiều dài hình học $L$ $1 / N$ ($1/100$)
Ứng suất $\sigma$ $1$
Biến dạng $\varepsilon$ $1$
Lực $F$ $1 / N^2$ ($1/10000$)
Thời gian cố kết $t_{consolidation}$ $1 / N^2$ ($1/10000$)
Gia tốc trọng trường $g$ $N$ ($100g$)

Tác giả mô tả chi tiết chương trình thực nghiệm gồm 2 thí nghiệm chính: Thí nghiệm T1 ứng với tỷ số che phủ nông $C/D = 1,5$ và Thí nghiệm T2 ứng với tỷ số che phủ sâu $C/D = 3,3$. Thùng mô hình dạng khối chữ nhật chịu tải cao có vách kính trong suốt. Quá trình tạo mẫu đất gồm chuẩn bị lớp sét cứng bên dưới và rót cát tạo lớp cát chặt vừa bên trên bằng thiết bị rải cát chuyên dụng. Mô hình hầm được trang bị động cơ bước điều khiển tốc độ tịnh tiến 0,2 mm/s, hệ thống loadcell đo áp lực trực tiếp tại gương đào, dàn LVDT đo trồi lún mặt đất, và camera ghi hình phục vụ phân tích PIV. Chương cũng nêu rõ các khó khăn kỹ thuật trong kiểm soát ma sát thành thùng và đồng bộ hóa tín hiệu đo áp lực khi máy ly tâm quay ở gia tốc cao.

Chương 4: Phân tích kết quả thí nghiệm ly tâm

Chương này tổng hợp các kết quả thực nghiệm và xử lý dữ liệu:

  • Cơ chế phá hoại: Dựa trên phân tích PIV tại các độ dịch chuyển tương đối $S_x/D = 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,8$, các véc-tơ chuyển vị cho thấy khi gương hầm tiến lên, đất ngay sát mặt gương bị đẩy dịch chuyển về phía trước, trong khi đất ở xa hơn bị trồi lên trên và dạt ra hai bên. Vùng phá hoại cục bộ trước gương hầm tương tự như phá hoại cắt cục bộ (local shear failure). Khi lý tưởng hóa bề mặt phá hoại bằng đường liền, cơ chế phá hoại khối đất có dạng phễu (funnel-shaped). Góc hợp bởi bề mặt phá hoại bị động và mặt nằm ngang xấp xỉ $(45^\circ - \varphi'/2)$, với $\varphi'$ là góc ma sát trong hữu hiệu của cát. Bề rộng vùng phá hoại trước gương hầm đo được khoảng 1,5D, và phạm vi ảnh hưởng lan truyền đến mặt đất đạt khoảng 3D.
  • Áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$:
    • Đối với thí nghiệm T1 ($C/D = 1,5$): Giá trị $N_{\gamma m}$ tăng dần khi $S_x/D < 0,3$; sau đó tiếp tục tăng với tốc độ giảm dần và đạt tới trạng thái ổn định (steady state) tại $S_x/D = 0,7$.
    • Đối với thí nghiệm T2 ($C/D = 3,3$): Giá trị $N_{\gamma m}$ tăng rất nhanh khi gương hầm tịnh tiến đến $S_x/D = 0,6$, và cũng đạt trạng thái ổn định tại $S_x/D = 0,7$.
    • Khi chiều sâu hầm tăng từ $C/D = 1,5$ lên $3,3$, giá trị áp lực phá hoại bị động tại gương hầm tăng từ 1,6% đến 39% tùy theo vị trí chuyển vị của gương hầm.
  • Thiết lập công thức: Dựa trên các đồ thị hồi quy xác định các hệ số $K_0$ đến $K_7$ và $A_1$ đến $A_4$, tác giả xây dựng công thức thực nghiệm xác định áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$ theo dạng hàm đa thức phụ thuộc vào tỷ số $C/D$, chuyển vị tương đối $S_x/D$ và góc ma sát trong hữu hiệu $\varphi'$.
  • Biến dạng bề mặt đất: Số liệu từ các LVDT (bảng 4.5 và 4.6) chỉ ra quy luật trồi đất dọc theo tim hầm và sang hai bên sườn hầm, thể hiện rõ vùng đất bị đẩy trồi tối đa tập trung trong phạm vi cách gương hầm khoảng 1,5D.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới về mặt khoa học cũng như thực tiễn như sau:

  1. Xác định quy luật cơ chế phá hoại bị động của khối đất trước gương hầm: Khi khiên đào tiến tới, khối đất sát gương bị nén ép tịnh tiến, đất ở xa hơn bị đẩy dạt ra ngoài và trồi lên bề mặt. Cơ chế phá hoại cục bộ tại gương hầm mang bản chất của sự phá hoại cắt cục bộ (localised cutting/shear failure). Khi lý tưởng hóa các mặt trượt quan sát được bằng đường liền, khối phá hoại trước gương hầm có dạng hình phễu.
  2. Xác định phạm vi không gian của vùng phá hoại và vùng ảnh hưởng: Bề rộng của vùng phá hoại trực tiếp kéo dài cách mặt gương hầm một đoạn khoảng $1,5D$. Vùng ảnh hưởng biến dạng gây trồi mặt đất tác động đến các công trình hạ tầng lân cận trên mặt bằng đạt phạm vi khoảng $3D$ tính từ gương hầm.
  3. Đề xuất góc dốc của mặt phá hoại bị động: Góc tạo bởi bề mặt phá hoại bị động và mặt phẳng nằm ngang được xác định xấp xỉ bằng $(45^\circ - \varphi'/2)$, trong đó $\varphi'$ là góc ma sát trong hữu hiệu của tầng đất cát chứa hầm.
  4. Xây dựng công thức tính toán áp lực phá hoại bị động: Thiết lập công thức giải tích thực nghiệm xác định hệ số áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$ tác dụng lên gương hầm cho trường hợp đất cát trạng thái chặt vừa, phụ thuộc đồng thời vào độ sâu đặt hầm ($C/D$), độ dịch chuyển tương đối của gương hầm ($S_x/D$) và góc ma sát trong hữu hiệu ($\varphi'$): $$N_{\gamma m} = f\left(\frac{C}{D}, \frac{S_x}{D}, \varphi'\right)$$
  5. Đóng góp về mặt ứng dụng thực tiễn: Cung cấp cơ sở khoa học để các kỹ sư thiết kế và nhà thầu thi công hầm metro bằng khiên EPB-TBM trong điều kiện địa chất tương tự Thành phố Hồ Chí Minh xác định được giới hạn trên của áp lực chống đỡ gương hầm. Việc khống chế áp lực chống đỡ không vượt quá áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$ giúp ngăn ngừa hiện tượng trồi đất, hạn chế nứt gãy và bảo vệ an toàn cho các công trình hạ tầng trên mặt đất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án đã nêu rõ các giới hạn trong phạm vi nghiên cứu thực nghiệm:

  • Mô hình ly tâm chỉ tập trung khảo sát cơ chế phá hoại bị động do chuyển vị tiến của gương hầm gây ra, chưa xét đến ảnh hưởng của hệ số mất mát thể tích đào (volume loss) – một thông số thường xuất hiện đồng thời trong quá trình khoan thực tế do khe hở đuôi khiên (tail void).
  • Địa tầng thí nghiệm mới chỉ thực hiện cho một mô hình địa chất cố định gồm hai lớp: lớp trên là cát chặt vừa và lớp dưới là sét cứng; chưa khảo sát các điều kiện địa tầng phức tạp khác như cát bão hòa hoàn toàn có mực nước ngầm cao hoặc đất sét yếu bề dày lớn.
  • Dữ liệu thực nghiệm ly tâm được tiến hành tại hai tỷ số độ sâu che phủ cụ thể ($C/D = 1,5$ và $C/D = 3,3$).

Từ các giới hạn này, hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc mở rộng dải thí nghiệm với nhiều tỷ số $C/D$ trung gian, nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình khiên tiến nhanh, khảo sát tương tác đồng thời giữa kích đẩy gương hầm và quá trình bơm vữa lấp khe hở đuôi khiên (grouting) trong điều kiện đất ngậm nước.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại các giá trị tham khảo cụ thể cho các đối tượng sau:

  • Đối với kỹ sư thiết kế và quản lý thi công công trình ngầm: Luận án cung cấp giá trị tham khảo tại Bảng 1.1 về áp lực chống đỡ thực tế của các dự án hầm trên thế giới, cùng quy tắc khống chế vùng phá hoại $1,5D$ và vùng ảnh hưởng $3D$. Đây là cơ sở trực tiếp để lập phương án quan trắc biến dạng mặt đất và tính toán dải áp lực vận hành an toàn cho khiên đào EPB-TBM nhằm tránh hiện tượng đẩy trồi đất tại đô thị.
  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Địa kỹ thuật: Chương 3 của luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế mô hình ly tâm ở gia tốc $100g$, nguyên tắc tỷ lệ hình học - cơ học, kỹ thuật chuẩn bị mẫu đất hai lớp, cách thức khắc phục ma sát thành thùng, và kỹ thuật kết hợp camera tốc độ cao với phần mềm PIV để lượng hóa trường chuyển vị trong đất.
  • Đối với các cơ quan quản lý dự án đường sắt đô thị (như Ban Quản lý Đường sắt Đô thị Thành phố Hồ Chí Minh - MAUR): Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá mức độ an toàn cho các công trình lịch sử, hạ tầng ngầm kỹ thuật dọc theo các tuyến metro số 1 và số 2 khi khiên đào vận hành qua các đoạn có lớp đất phủ nông ($C/D \le 1,5$).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế phá hoại của khối đất trước gương hầm khi bị khiên đào đẩy ép có hình dạng gì?

Dựa trên kết quả quan trắc PIV trong thí nghiệm ly tâm, khi gương hầm tiến tới, đất ngay sát gương bị đẩy tịnh tiến về phía trước, phần đất phía xa bị đẩy dạt ra ngoài và hướng lên trên tạo ra vùng trồi đất cục bộ (tương tự phá hoại cắt cục bộ). Khi các mặt trượt quan sát được lý tưởng hóa bằng các đường liên tục, khối đất bị phá hoại có dạng hình phễu.

2. Góc nghiêng của mặt trượt phá hoại bị động so với phương nằm ngang được xác định như thế nào?

Theo kết quả phân tích ở Chương 4 của luận án, bề mặt phá hoại bị động tạo với mặt phẳng nằm ngang một góc dốc xấp xỉ bằng $(45^\circ - \varphi'/2)$, trong đó $\varphi'$ là góc ma sát trong hữu hiệu của tầng đất cát nơi đặt hầm.

3. Áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$ thay đổi như thế nào khi độ sâu đặt hầm $C/D$ tăng lên?

Khi tỷ số chiều sâu lớp phủ trên đường kính hầm tăng từ $C/D = 1,5$ (thí nghiệm T1) lên $C/D = 3,3$ (thí nghiệm T2), giá trị áp lực phá hoại bị động đo được tại gương hầm tăng từ 1,6% đến 39% tùy thuộc vào giá trị độ dịch chuyển tương đối $S_x/D$ của gương đào.

4. Quy luật gia tăng áp lực gương hầm $N_{\gamma m}$ theo chuyển vị tương đối $S_x/D$ diễn ra ra sao?

Tại $C/D = 1,5$, $N_{\gamma m}$ tăng đều khi $S_x/D < 0,3$, sau đó tốc độ tăng giảm dần và đạt tới trạng thái ổn định tại $S_x/D = 0,7$. Tại $C/D = 3,3$, $N_{\gamma m}$ tăng nhanh ngay từ đầu cho tới khi $S_x/D = 0,6$, và cũng đạt trạng thái ổn định hoàn toàn khi $S_x/D = 0,7$.

5. Tốc độ chuyển dịch của gương hầm trong mô hình ly tâm được thiết lập là bao nhiêu và tương đương bao nhiêu ngoài thực địa?

Gương hầm trong thí nghiệm mô hình ly tâm thu nhỏ $1/100$ được điều khiển chuyển dịch tịnh tiến với vận tốc không đổi là $0,2\text{ mm/s}$. Tốc độ chuyển vị này tương đương với tốc độ khoan đào thực tế của khiên TBM ngoài hiện trường là $15\text{ m/ngày}$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Anh Tuấn đã giải quyết bài toán phân tích ổn định bị động và cơ chế biến dạng của khối đất trước gương hầm trong nền hai lớp (cát chặt vừa trên sét cứng) thông qua mô hình thí nghiệm ly tâm tỷ lệ 1/100 tại HKUST cho hai trường hợp $C/D = 1,5$ và 3,3. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra cơ chế phá hoại dạng phễu với góc nghiêng mặt trượt xấp xỉ $(45^\circ - \varphi'/2)$, xác định phạm vi phá hoại trước gương hầm khoảng 1,5D và phạm vi ảnh hưởng trồi đất khoảng 3D. Đồng thời, luận án đã xây dựng công thức thực nghiệm xác định hệ số áp lực phá hoại bị động $N_{\gamma m}$, mang lại cơ sở dữ liệu và công cụ tính toán phục vụ thiết kế, kiểm soát áp lực chống đỡ khiên đào EPB-TBM nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình hạ tầng đô thị.