Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các dự án hầm giao thông quy mô lớn tại Việt Nam, đặc biệt là tại TP. Hồ Chí Minh, việc đảm bảo ổn định của môi trường đá xung quanh công trình ngầm trở thành vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, các công trình hầm có kích thước lớn ngày càng được triển khai nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải và phát triển đô thị. Tuy nhiên, sự phức tạp về địa chất và áp lực từ môi trường xung quanh đòi hỏi phải có các phương pháp phân tích và đánh giá chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đá bao quanh hầm để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá ổn định môi trường đá xung quanh công trình hầm có kích thước lớn, dựa trên mô hình lý thuyết và phương pháp phần tử hữu hạn, áp dụng tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown tổng quát hóa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình hầm tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ năm 2020 đến 2021, với dữ liệu thực tế từ các dự án hầm lớn và mô phỏng bằng phần mềm Phase2.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn kích thước, số lượng hầm, cũng như đề xuất các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp nhằm tăng cường độ ổn định và giảm thiểu rủi ro trong quá trình xây dựng công trình ngầm. Các chỉ số ổn định như ứng suất chính lớn nhất, ứng suất chính nhỏ nhất, biến dạng chuyển vị và phạm vi vùng dẻo được đánh giá chi tiết, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành công trình hầm giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Tiêu chuẩn phá hoại Hoek – Brown tổng quát hóa: Đây là tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong phân tích ổn định công trình ngầm, mô tả mối quan hệ giữa các ứng suất chính tại thời điểm phá hoại của khối đá. Công thức tiêu chuẩn được biểu diễn qua phương trình:

$$ \sigma_1' = \sigma_3' + \sigma_c \left( m_b \frac{\sigma_3'}{\sigma_c} + s \right)^a $$

trong đó $\sigma_1'$ và $\sigma_3'$ là ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất tại phá hoại, $\sigma_c$ là ứng suất nén đơn trục của mẫu đá, các tham số $m_b$, $s$, và $a$ phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và chỉ số GSI (Geological Strength Index).

  1. Mô hình ứng suất - biến dạng elasto-plastic: Mô hình này mô tả trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá xung quanh công trình hầm, bao gồm phân tích ứng suất chính, biến dạng chuyển vị và phạm vi vùng dẻo. Các thành phần ứng suất được phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn, kết hợp với lý thuyết biến dạng liên tục và các điều kiện biên thực tế.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Ứng suất chính lớn nhất (V1) và ứng suất chính nhỏ nhất (V3): Các giá trị ứng suất quan trọng để xác định trạng thái phá hoại của khối đá.
  • Chỉ số GSI (Geological Strength Index): Thước đo đặc tính địa chất và độ rỗng của khối đá, ảnh hưởng đến các tham số phá hoại.
  • Phạm vi vùng dẻo (Plastic zone radius): Kích thước vùng đá bị biến dạng dẻo xung quanh công trình hầm.
  • Biến dạng chuyển vị (Displacement): Đo lường sự dịch chuyển của khối đá do ứng suất tác động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất thực tế tại các dự án hầm lớn ở TP. Hồ Chí Minh, kết hợp với dữ liệu thí nghiệm vật liệu đá và các thông số kỹ thuật từ tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các điểm khảo sát địa chất và mô hình số được xây dựng dựa trên các thông số thực tế.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn Phase2 để tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đá xung quanh hầm. Phương pháp này cho phép mô phỏng chi tiết các điều kiện biên, tải trọng và đặc tính vật liệu, từ đó đánh giá được phạm vi vùng dẻo, biến dạng và ứng suất chính.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2020 đến tháng 12/2020, bao gồm các bước khảo sát thực địa, thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình số, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp. Việc lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được ưu tiên do khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng phức tạp trong môi trường đá không đồng nhất và chịu tải đa hướng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất quanh hầm: Kết quả mô phỏng cho thấy tại độ sâu 20 m, ứng suất chính lớn nhất V1 đạt khoảng 15 MPa, trong khi ứng suất chính nhỏ nhất V3 khoảng 5 MPa. Ở độ sâu 100 m, V1 tăng lên khoảng 25 MPa và V3 khoảng 10 MPa, phản ánh sự gia tăng áp lực theo độ sâu.

  2. Phạm vi vùng dẻo: Bán kính vùng dẻo quanh hầm được xác định khoảng 2-3 m tùy thuộc vào kích thước hầm và đặc tính đá. Việc chia hầm lớn thành hai hầm nhỏ hơn giúp giảm phạm vi vùng dẻo, tăng tính ổn định của công trình.

  3. Biến dạng chuyển vị: Biến dạng chuyển vị lớn nhất đo được tại vách hầm khoảng 0.5 mm ở độ sâu 20 m và tăng lên 1.2 mm ở độ sâu 100 m. Các giá trị này phù hợp với giới hạn cho phép trong tiêu chuẩn xây dựng, đảm bảo an toàn kết cấu.

  4. So sánh với lý thuyết đàn hồi: Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn tương đồng với kết quả tính toán theo lý thuyết đàn hồi, với sai số dưới 10%, chứng tỏ tính chính xác của mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng ứng suất và biến dạng theo độ sâu là do áp lực đất và tải trọng từ lớp đá phía trên. Việc áp dụng tiêu chuẩn Hoek – Brown tổng quát hóa giúp mô hình hóa chính xác trạng thái phá hoại của khối đá, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp tại TP. Hồ Chí Minh.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả nghiên cứu này khẳng định hiệu quả của việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn kết hợp tiêu chuẩn Hoek – Brown trong đánh giá ổn định công trình hầm lớn. Việc chia nhỏ hầm lớn thành các hầm nhỏ hơn không chỉ giảm ứng suất tập trung mà còn hạn chế biến dạng và phạm vi vùng dẻo, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố ứng suất chính V1, V3 theo độ sâu, bảng tổng hợp biến dạng chuyển vị và bản đồ phạm vi vùng dẻo quanh hầm, giúp trực quan hóa các chỉ số quan trọng và hỗ trợ việc ra quyết định thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chia nhỏ hầm lớn thành nhiều hầm nhỏ hơn: Giải pháp này giúp giảm ứng suất tập trung và phạm vi vùng dẻo, nâng cao độ ổn định công trình. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế, chủ thể là các kỹ sư thiết kế công trình.

  2. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn kết hợp tiêu chuẩn Hoek – Brown trong phân tích thiết kế: Đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện địa chất thực tế. Thời gian áp dụng liên tục trong quá trình thiết kế và thi công, chủ thể là nhóm nghiên cứu và tư vấn kỹ thuật.

  3. Tăng cường khảo sát địa chất và thí nghiệm vật liệu đá: Cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác cho mô hình, giảm sai số trong dự báo ứng suất và biến dạng. Thời gian thực hiện trước khi xây dựng, chủ thể là đơn vị khảo sát địa chất.

  4. Giám sát biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công: Sử dụng các thiết bị đo đạc hiện đại để theo dõi và điều chỉnh kịp thời các biện pháp thi công nhằm đảm bảo an toàn. Thời gian thực hiện liên tục trong quá trình thi công, chủ thể là nhà thầu và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích ứng suất - biến dạng, hỗ trợ thiết kế hầm an toàn và hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công hầm: Tham khảo các giải pháp thi công và giám sát biến dạng để giảm thiểu rủi ro trong quá trình xây dựng.

  3. Chuyên gia khảo sát địa chất: Hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của đặc tính đá và áp lực đất đến ổn định công trình, từ đó cải thiện chất lượng khảo sát.

  4. Nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá và phê duyệt các phương án thiết kế, thi công công trình ngầm đảm bảo an toàn và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiêu chuẩn Hoek – Brown là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
    Tiêu chuẩn Hoek – Brown là mô hình phá hoại phổ biến dùng để mô tả trạng thái ứng suất phá hoại của khối đá. Nó được sử dụng vì tính phù hợp với đặc tính vật liệu đá tự nhiên và khả năng mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất – biến dạng trong công trình ngầm.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong phân tích công trình hầm?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chi tiết các điều kiện biên và tải trọng phức tạp, đồng thời tính toán được phân bố ứng suất và biến dạng trong khối đá không đồng nhất, giúp đánh giá chính xác độ ổn định công trình.

  3. Tại sao cần chia nhỏ hầm lớn thành nhiều hầm nhỏ hơn?
    Việc chia nhỏ giúp giảm ứng suất tập trung và phạm vi vùng dẻo, từ đó tăng tính ổn định và giảm nguy cơ phá hoại trong quá trình thi công và vận hành.

  4. Các chỉ số ổn định nào được đánh giá trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu tập trung vào ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất, biến dạng chuyển vị, và phạm vi vùng dẻo quanh công trình hầm, các chỉ số này phản ánh trực tiếp trạng thái ổn định của khối đá.

  5. Làm thế nào để giám sát ổn định công trình trong quá trình thi công?
    Sử dụng các thiết bị đo đạc biến dạng, ứng suất như cảm biến áp suất, máy đo chuyển vị để theo dõi liên tục, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời nhằm đảm bảo an toàn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích và đánh giá thành công trạng thái ứng suất – biến dạng của môi trường đá xung quanh công trình hầm lớn tại TP. Hồ Chí Minh, dựa trên tiêu chuẩn Hoek – Brown và mô hình phần tử hữu hạn.
  • Ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất, biến dạng chuyển vị, phạm vi vùng dẻo được xác định rõ ràng, cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công.
  • Việc chia nhỏ hầm lớn thành nhiều hầm nhỏ hơn được chứng minh là giải pháp hiệu quả để tăng cường ổn định công trình.
  • Kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành và có thể áp dụng rộng rãi cho các dự án công trình ngầm tương tự.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng mô hình vào thiết kế thực tế, giám sát thi công và cập nhật dữ liệu để hoàn thiện phương pháp luận.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị thiết kế và thi công công trình ngầm nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn trong các dự án hầm giao thông quy mô lớn.