Tổng quan nghiên cứu

Việc xây dựng các công trình ngầm như nhà ga Metro tại các đô thị lớn ngày càng trở nên cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải công cộng hiện đại. Tại thành phố Hồ Chí Minh, dự án tuyến Metro Bến Thành – Suối Tiên đánh dấu bước phát triển quan trọng trong hạ tầng giao thông. Tuy nhiên, điều kiện địa chất đặc thù với đất rời và mực nước ngầm cao gây ra nhiều thách thức trong thi công, đặc biệt là ổn định hố đào sâu bằng phương pháp đào hở (Top down). Theo báo cáo khảo sát địa kỹ thuật năm 2013, mực nước ngầm tại khu vực thi công dao động từ -5 m đến -26 m, trong khi đất nền chủ yếu là cát bão hòa, dễ gây hiện tượng cát chảy và mất ổn định đáy hố đào.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung phân tích, đánh giá khả năng ổn định xung quanh công trình nhà ga Metro trong quá trình thi công bằng phương pháp đào hở, đồng thời đề xuất các giải pháp gia cố nền nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công. Nghiên cứu áp dụng mô hình toán học Plaxis với hai mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening Soil, kết hợp với số liệu quan trắc thực tế tại công trường Ga Nhà hát Thành phố. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích địa chất khu vực trung tâm TP. HCM, mô phỏng ứng suất – biến dạng trong quá trình thi công, và đánh giá hiệu quả các biện pháp gia cố như jet grouting và cọc xi măng đất CDM.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao độ chính xác trong tính toán ổn định hố đào sâu mà còn góp phần hoàn thiện quy trình thi công các công trình ngầm phức tạp trong điều kiện địa chất khó khăn, từ đó giảm thiểu rủi ro, đảm bảo an toàn cho công trình và môi trường xung quanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết cơ bản trong tính toán áp lực đất và ổn định công trình ngầm:

  1. Lý thuyết Rankine về áp lực đất: Xác định áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên tường chắn dựa trên các hệ số Ka và Kp, tính theo góc ma sát hiệu quả của đất. Lý thuyết này giả định tường nhẵn, không ma sát, và áp lực đất phân bố tuyến tính theo chiều sâu.

  2. Lý thuyết Coulomb về áp lực đất: Mở rộng lý thuyết Rankine bằng cách xét thêm góc nghiêng của tường chắn, góc ma sát giữa tường và đất, cũng như góc nghiêng mái đất phía sau tường. Lý thuyết này cho phép tính toán áp lực đất trong các trường hợp phức tạp hơn, tuy nhiên có giới hạn khi mặt trượt không phải là mặt phẳng.

Các khái niệm chính được sử dụng bao gồm:

  • Áp lực đất chủ động (Active earth pressure): Áp lực đất khi tường chắn chuyển vị ra ngoài, làm giảm áp lực đất phía sau tường.
  • Áp lực đất bị động (Passive earth pressure): Áp lực đất khi tường chắn chuyển vị vào trong, làm tăng áp lực đất phía trước tường.
  • Áp lực đất ở trạng thái nghỉ (At-rest earth pressure): Áp lực đất khi tường không chuyển vị, được xác định qua hệ số Ko.
  • Mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening Soil: Hai mô hình vật liệu được sử dụng trong mô phỏng Plaxis để mô tả ứng xử cơ học của đất nền, trong đó Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi – dẻo của đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Số liệu khảo sát địa kỹ thuật tại khu vực Ga Nhà hát Thành phố, TP. HCM (năm 2013), với các thông số cơ lý như hàm lượng nước, trọng lượng riêng, cường độ cắt, mô đun đàn hồi, hệ số thấm.
  • Dữ liệu quan trắc chuyển vị tường vây và độ lún nền trong quá trình thi công thực tế.
  • Tài liệu kỹ thuật và quy chuẩn xây dựng liên quan đến thiết kế và thi công công trình ngầm.

Phương pháp phân tích:

  • Mô phỏng ổn định hố đào bằng phần mềm Plaxis với hai mô hình vật liệu Mohr-Coulomb và Hardening Soil.
  • Phân tích áp lực đất, ứng suất và biến dạng trong quá trình thi công hố đào sâu theo phương pháp Top down.
  • So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác của mô hình.
  • Đánh giá hiệu quả các biện pháp gia cố nền như jet grouting và cọc xi măng đất CDM thông qua mô phỏng chuyển vị và độ lún.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình Hardening Soil cho kết quả mô phỏng chuyển vị và độ lún gần sát với số liệu quan trắc thực tế hơn mô hình Mohr-Coulomb. Ví dụ, tại Phase 21 (-26 m), chuyển vị ngang Ux của tường vây mô phỏng bằng Hardening Soil sai lệch dưới 5% so với quan trắc, trong khi mô hình Mohr-Coulomb sai lệch khoảng 12%.

  2. Gia cố đáy hố đào bằng phương pháp jet grouting làm giảm đáng kể chuyển vị ngang và độ lún nền. Khi gia cố jet grouting với chiều dày 3 m, chuyển vị ngang giảm khoảng 30% và độ lún giảm 25% so với trường hợp không gia cố.

  3. Sử dụng cọc xi măng đất CDM bên hông nhà ga giúp giảm chuyển vị ngang tường vây từ 15% đến 40% tùy khoảng cách cọc đến tường. Cọc đặt cách tường 2 m cho hiệu quả giảm chuyển vị cao nhất, đồng thời giảm độ lún nền tương ứng.

  4. Mực nước ngầm cao và sự chênh lệch áp lực nước là nguyên nhân chính gây mất ổn định đáy hố đào. Việc hạ mực nước ngầm xuống cao độ -9,1 m trước khi đào giúp giảm áp lực thủy lực và tăng độ ổn định hố đào.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình Hardening Soil phù hợp hơn trong việc mô phỏng đất nền cát bão hòa tại TP. HCM do tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi – dẻo được mô hình hóa chính xác hơn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về mô hình đất nền mềm yếu trong thi công công trình ngầm.

Việc áp dụng biện pháp gia cố jet grouting và cọc CDM đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm chuyển vị và độ lún, từ đó nâng cao độ ổn định hố đào. Các kết quả này được minh họa qua biểu đồ so sánh chuyển vị ngang và độ lún nền giữa các phương án gia cố, cho thấy xu hướng giảm rõ rệt khi gia cố được áp dụng.

So với các công trình ngầm tương tự trên thế giới, việc kết hợp mô hình toán học hiện đại với số liệu quan trắc thực tế giúp nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công, đồng thời giảm thiểu rủi ro sự cố trong quá trình thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế và mô phỏng công trình ngầm tại TP. HCM nhằm nâng cao độ chính xác trong dự báo chuyển vị và ứng suất, giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu và biện pháp thi công. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án hiện tại và tương lai.

  2. Triển khai biện pháp gia cố đáy hố đào bằng jet grouting với chiều dày tối thiểu 3 m để giảm áp lực nước và tăng độ ổn định đáy hố đào, đặc biệt trong điều kiện mực nước ngầm cao. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  3. Sử dụng cọc xi măng đất CDM đặt cách tường vây khoảng 2 m nhằm giảm chuyển vị ngang và độ lún nền hiệu quả, đồng thời tăng cường khả năng chịu lực cho tường chắn. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn chuẩn bị nền móng.

  4. Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và mực nước ngầm liên tục trong suốt quá trình thi công để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng mất ổn định, đảm bảo an toàn công trình và môi trường xung quanh. Chủ thể: chủ đầu tư 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 lý thuyết và mô hình mô phỏng phù hợp giúp tối ưu thiết kế kết cấu và biện pháp thi công.

  2. Nhà thầu thi công công trình Metro và công trình ngầm: Áp dụng các giải pháp gia cố và quy trình thi công được phân tích chi tiết nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn thi công.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Sử dụng số liệu quan trắc và phân tích ổn định để đánh giá tiến độ, chất lượng và an toàn công trình.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết áp lực đất, mô hình vật liệu và phương pháp phân tích ổn định trong điều kiện địa chất phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp đào hở Top down có ưu điểm gì trong thi công nhà ga Metro?
    Phương pháp Top down cho phép thi công đồng thời các tầng trên và dưới, giảm thiểu ảnh hưởng đến giao thông và môi trường xung quanh. Ví dụ, tại Ga Nhà hát Thành phố, phương pháp này giúp kiểm soát tốt chuyển vị và áp lực đất trong quá trình thi công.

  2. Tại sao mô hình Hardening Soil được ưu tiên sử dụng hơn Mohr-Coulomb?
    Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi – dẻo của đất nền, phù hợp với điều kiện đất cát bão hòa tại TP. HCM, giúp dự báo chuyển vị và ứng suất sát thực tế hơn.

  3. Jet grouting có tác dụng gì trong gia cố nền hố đào?
    Jet grouting tạo ra lớp cọc xi măng đất có độ cứng cao, giảm chuyển vị ngang và độ lún nền, đồng thời ngăn chặn thấm nước qua đáy hố đào, tăng độ ổn định công trình.

  4. Làm thế nào để kiểm soát mực nước ngầm trong quá trình thi công?
    Hạ mực nước ngầm bằng hệ thống bơm và giếng thoát nước trước khi đào, kết hợp quan trắc liên tục để đảm bảo áp lực nước không vượt quá giới hạn cho phép, tránh hiện tượng cát chảy và bục đáy.

  5. Các biện pháp giám sát chuyển vị và độ lún được thực hiện như thế nào?
    Sử dụng inclinometer để đo chuyển vị ngang tường vây và máy đo độ lún để theo dõi biến dạng nền, dữ liệu được thu thập định kỳ và so sánh với mô hình tính toán để đánh giá ổn định công trình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích và đánh giá thành công ổn định hố đào nhà ga Metro tại TP. HCM bằng phương pháp đào hở Top down, áp dụng mô hình Hardening Soil và Mohr-Coulomb trong Plaxis.
  • Mô hình Hardening Soil cho kết quả mô phỏng chuyển vị và độ lún sát với số liệu quan trắc thực tế hơn, phù hợp với điều kiện địa chất cát bão hòa.
  • Biện pháp gia cố jet grouting và cọc xi măng đất CDM hiệu quả trong việc giảm chuyển vị ngang và độ lún nền, tăng độ ổn định hố đào.
  • Việc hạ mực nước ngầm và quan trắc liên tục là yếu tố quan trọng đảm bảo an toàn thi công.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp và mô hình nghiên cứu trong các dự án công trình ngầm tương lai tại TP. HCM và các đô thị có điều kiện địa chất tương tự.

Tiếp theo, các nhà thiết kế và thi công nên triển khai áp dụng mô hình Hardening Soil và các biện pháp gia cố đã được chứng minh hiệu quả trong nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình Metro. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả có thể liên hệ với khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Ngầm, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. HCM.