Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng tại các thành phố lớn, quỹ đất xây dựng ngày càng bị thu hẹp, việc phát triển công trình ngầm trở thành xu hướng tất yếu nhằm tối ưu hóa diện tích sử dụng đất. Nhà ga Bến Thành thuộc tuyến Metro số 1 tại TP. Hồ Chí Minh là một công trình ngầm quan trọng, với quy mô thi công hố đào sâu gồm hai tầng hầm và hệ thống tường vây được chống đỡ bằng bốn tầng khung chống. Quá trình thi công hố đào sâu đặt ra thách thức lớn về đảm bảo ổn định kết cấu và hạn chế ảnh hưởng đến các công trình lân cận trong khu vực có mật độ xây dựng cao.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào phân tích khả năng ổn định của tường vây hố đào trong quá trình thi công nhà ga Bến Thành, đồng thời đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia tải trước trong thanh chống và cải tạo đất dưới đáy hố đào. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng quá trình thi công thực tế, so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc thực tế nhằm đánh giá độ chính xác và hiệu quả của các biện pháp thi công. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hai phân đoạn thi công: phân đoạn có cải tạo đất và phân đoạn không cải tạo đất, với thời gian nghiên cứu từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021 tại công trường nhà ga Bến Thành.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn và thiết kế biện pháp thi công hố đào sâu, góp phần nâng cao an toàn thi công, giảm thiểu biến dạng tường vây và bảo vệ công trình lân cận. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các kỹ sư xây dựng trong việc áp dụng mô hình phần tử hữu hạn để dự báo và kiểm soát ổn định công trình ngầm trong điều kiện địa chất phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình lý thuyết chính trong phân tích đất nền và kết cấu tường vây:

  1. Mô hình Mohr-Coulomb: Đây là mô hình đàn hồi-dẻo lý tưởng, sử dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb để mô tả ứng xử của đất nền. Mô hình này bao gồm 5 thông số cơ bản: mô đun đàn hồi Young (E), hệ số Poisson (v), lực dính hữu hiệu (c'), góc ma sát trong (φ), và góc giãn nở (ψ). Mô hình phù hợp cho tính toán sơ bộ, nhanh chóng và đơn giản, mô phỏng biến dạng đàn hồi và dẻo của đất nền.

  2. Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình nâng cao hơn, mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến và tăng bền của đất nền, bao gồm tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén. Mô hình này sử dụng nhiều thông số hơn như mô đun biến dạng tham chiếu (E50), mô đun tiếp tuyến (Eoed), số mũ m thể hiện sự phi tuyến của mô đun, cùng các thông số cường độ đất. HS cho phép mô phỏng biến dạng dẻo phức tạp và ứng xử thực tế của đất mềm và đất cứng trong quá trình thi công.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng các khái niệm về áp lực đất biểu kiến theo Peck để tính toán tải trọng trên hệ thanh chống, phân tích mối quan hệ giữa biến dạng tường chắn và độ lún bề mặt đất nền, cũng như các biện pháp thi công hố đào sâu như đào mở, giằng chống, neo gia cố và thi công Top-down.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc chuyển vị ngang tường vây tại các vị trí khác nhau trong hai phân đoạn thi công, thông số địa chất và mô hình đất nền thu thập từ công trường nhà ga Bến Thành. Cỡ mẫu dữ liệu quan trắc gồm các điểm đo chuyển vị tại phía bắc và phía nam tường vây, với các giai đoạn thi công từ đào đất đến lắp đặt khung chống.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D, một công cụ phần tử hữu hạn chuyên dụng trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, để mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu. Mô hình được xây dựng dựa trên các thông số đất nền và kết cấu tường vây, áp dụng mô hình Hardening Soil cho đất nền và mô hình Mohr-Coulomb cho kết cấu tường vây và hệ khung chống. Quá trình mô phỏng bao gồm các giai đoạn đào đất, lắp đặt và kích tải trước hệ thanh chống, cải tạo đất dưới đáy hố đào.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và so sánh kết quả với dữ liệu quan trắc thực tế. Phương pháp phân tích kết hợp đánh giá định lượng qua số liệu chuyển vị và phân tích định tính về hiệu quả các biện pháp thi công.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của gia tải trước trong thanh chống tại phân đoạn không cải tạo đất: Kết quả mô phỏng và quan trắc cho thấy việc kích tải trước hệ thanh chống giúp giảm chuyển vị ngang tường vây đáng kể. Chuyển vị ngang lớn nhất tại phía nam tường vây (P06) giảm khoảng 15% so với trường hợp không kích tải trước, từ mức chuyển vị khoảng 12 mm xuống còn khoảng 10 mm.

  2. Tác động của cải tạo đất dưới đáy hố đào tại phân đoạn có cải tạo đất: Việc cải tạo đất làm tăng cường độ đất nền, giúp giảm biến dạng tường vây và ổn định đáy hố đào. Chuyển vị ngang lớn nhất tại phía bắc tường vây (P36) giảm khoảng 20% so với phân đoạn không cải tạo đất, từ khoảng 14 mm xuống còn khoảng 11 mm.

  3. So sánh chuyển vị ngang giữa hai phân đoạn: Phân đoạn có cải tạo đất và gia tải trước cho thấy chuyển vị ngang tường vây thấp hơn đáng kể so với phân đoạn không cải tạo đất và không gia tải trước, với mức giảm trung bình từ 15-20%.

  4. Mối quan hệ giữa chuyển vị tường vây và độ lún bề mặt đất nền: Dữ liệu quan trắc và mô phỏng xác nhận mối quan hệ gần đúng giữa chuyển vị ngang tường vây và độ lún bề mặt đất nền theo công thức 𝛿_lún ≈ 0.75 𝛿_chuyển vị, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm chuyển vị tường vây là do gia tải trước trong thanh chống tạo ra lực phản hồi giúp cân bằng áp lực đất nền, hạn chế sự dịch chuyển của tường chắn vào trong hố đào. Đồng thời, cải tạo đất dưới đáy hố đào làm tăng cường độ và độ cứng của đất nền, giảm áp lực đất tác động lên tường vây, từ đó nâng cao khả năng ổn định tổng thể.

So với các nghiên cứu trong ngành xây dựng công trình ngầm, kết quả này tương đồng với báo cáo của các công trình metro tại các thành phố lớn khác, cho thấy tính hiệu quả của biện pháp gia tải trước và cải tạo đất trong kiểm soát biến dạng hố đào sâu. Việc mô phỏng bằng Plaxis 2D cũng chứng minh độ tin cậy cao khi kết quả mô phỏng gần sát với số liệu quan trắc thực tế, với sai số dưới 10%.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang theo thời gian thi công tại các vị trí quan trắc, bảng so sánh chuyển vị giữa các phương án thiết kế và phân đoạn thi công, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng biện pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng gia tải trước hệ thanh chống trong thi công hố đào sâu: Khuyến nghị các nhà thầu thi công kích tải trước hệ thanh chống ngay sau khi lắp đặt để giảm chuyển vị tường vây, đảm bảo an toàn công trình và hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận. Thời gian thực hiện gia tải nên được lên kế hoạch đồng bộ với tiến độ thi công từng lớp khung chống.

  2. Cải tạo đất dưới đáy hố đào tại các khu vực đất yếu: Đề xuất sử dụng biện pháp cải tạo đất như trộn sâu hoặc gia cố bằng vữa để tăng cường độ đất nền, đặc biệt tại các phân đoạn có địa chất yếu nhằm nâng cao ổn định đáy hố đào và giảm biến dạng tường vây. Chủ đầu tư và đơn vị thiết kế cần phối hợp để xác định phạm vi và phương pháp cải tạo phù hợp.

  3. Tăng cường giám sát và quan trắc chuyển vị tường vây trong suốt quá trình thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và áp lực đất liên tục để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Thời gian quan trắc nên được thực hiện hàng ngày hoặc theo từng giai đoạn thi công quan trọng.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế và đánh giá biện pháp thi công: Khuyến khích các kỹ sư áp dụng mô hình Hardening Soil trong Plaxis 2D để mô phỏng chính xác hơn ứng xử đất nền và kết cấu, từ đó tối ưu hóa thiết kế hệ thống tường vây và khung chống. Việc này giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh trong thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình phân tích ổn định hố đào sâu, giúp kỹ sư lựa chọn mô hình đất phù hợp và thiết kế hệ thống tường vây, khung chống hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Tham khảo các biện pháp thi công, gia tải trước và cải tạo đất để áp dụng thực tế, nâng cao an toàn thi công và kiểm soát biến dạng công trình.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quan trắc, đánh giá tiến độ và an toàn thi công, từ đó đưa ra các quyết định điều chỉnh kịp thời.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, mô hình đất nền và các biện pháp thi công hố đào sâu trong môi trường đô thị phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gia tải trước trong thanh chống có tác dụng gì trong thi công hố đào?
    Gia tải trước giúp tạo lực phản hồi cân bằng áp lực đất nền, giảm chuyển vị ngang tường vây và hạn chế biến dạng công trình. Ví dụ, tại nhà ga Bến Thành, gia tải trước giảm chuyển vị tường vây khoảng 15%.

  2. Cải tạo đất dưới đáy hố đào có cần thiết không?
    Cải tạo đất tăng cường độ và độ cứng đất nền, giúp ổn định đáy hố đào và giảm biến dạng tường vây, đặc biệt quan trọng tại các khu vực đất yếu. Tại phân đoạn có cải tạo đất, chuyển vị tường vây giảm khoảng 20%.

  3. Phần mềm Plaxis 2D có ưu điểm gì trong phân tích hố đào?
    Plaxis 2D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng chính xác ứng xử đất nền và kết cấu, cho phép đánh giá hiệu quả biện pháp thi công và dự báo biến dạng công trình với sai số dưới 10% so với thực tế.

  4. Mô hình Hardening Soil khác gì so với mô hình Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến và tăng bền của đất, bao gồm biến dạng dẻo do cắt và nén, trong khi Mohr-Coulomb là mô hình đơn giản, phù hợp cho tính toán sơ bộ.

  5. Làm thế nào để kiểm soát biến dạng tường vây trong quá trình thi công?
    Kiểm soát bằng cách sử dụng hệ thanh chống có độ cứng phù hợp, gia tải trước hệ thanh chống, cải tạo đất nền, và giám sát chuyển vị liên tục để điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích thành công khả năng ổn định tường vây hố đào nhà ga Bến Thành qua mô phỏng phần tử hữu hạn và so sánh với dữ liệu quan trắc thực tế.
  • Gia tải trước trong hệ thanh chống và cải tạo đất dưới đáy hố đào là hai biện pháp hiệu quả giúp giảm chuyển vị ngang tường vây từ 15-20%.
  • Mô hình Hardening Soil trong Plaxis 2D cho kết quả mô phỏng chính xác, phù hợp cho thiết kế và đánh giá biện pháp thi công hố đào sâu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn biện pháp thi công an toàn, giảm thiểu rủi ro và bảo vệ công trình lân cận trong môi trường đô thị phức tạp.
  • Đề xuất tiếp tục áp dụng và phát triển các biện pháp gia tải trước, cải tạo đất và giám sát chuyển vị trong các dự án công trình ngầm tương lai nhằm nâng cao hiệu quả thi công và an toàn công trình.

Hãy áp dụng các giải pháp nghiên cứu để đảm bảo thành công cho các dự án xây dựng công trình ngầm trong điều kiện địa chất và môi trường thi công ngày càng phức tạp.