Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các đô thị lớn ở Việt Nam kéo theo nhu cầu xây dựng các tòa nhà cao tầng với mật độ dày đặc, làm gia tăng nhu cầu xây dựng tầng hầm sâu từ 2 đến 5 tầng nhằm tối ưu hóa diện tích sử dụng và hạ tầng giao thông tĩnh. Trong thi công phần ngầm, giai đoạn hố đào sâu luôn là hạng mục kỹ thuật phức tạp, tốn kém từ 15% đến 30% tổng chi phí kết cấu và tiềm ẩn nhiều rủi ro sạt lở hoặc biến dạng nền đất xung quanh.

Phương pháp thi công từ dưới lên phổ biến hiện nay chủ yếu áp dụng hệ chống đỡ áp lực đất truyền thống bằng thanh chống thép shoring. Tuy nhiên, hệ shoring bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng như mật độ dầm chống quá dày với khoảng cách giữa các thanh chống chỉ từ 4m đến 8m, cản trở nặng nề không gian vận hành của máy đào đất, kéo dài thời gian lắp dựng và làm phát sinh khối lượng thép tạm rất lớn. Giải pháp neo đất dù tạo được không gian thông thoáng nhưng lại bị giới hạn pháp lý nghiêm ngặt tại các khu vực nội đô do xung đột không gian ngầm và kết cấu móng của các công trình lân cận.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phân tích ứng xử cơ học, thiết lập quy trình tính toán toàn diện và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của hệ thống chống đỡ áp lực đất sử dụng thanh giằng ứng suất trước dạng vòm. Nghiên cứu thực hiện thiết kế chi tiết hệ giằng ứng suất trước cho công trình thực tế gồm 2 tầng hầm sâu 12,0m và 29 tầng nổi với mặt bằng hầm kích thước 56m x 55m tại đường Bạch Đằng, Quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng trong giai đoạn từ tháng 9 năm 2023 đến tháng 1 năm 2024. Kết quả nghiên cứu chứng minh giải pháp mới giúp khống chế chuyển vị tường vây barrette dày 800mm ở mức an toàn dưới 55mm (tương ứng 0,46% chiều sâu hố đào), cắt giảm hơn 25% khối lượng vật liệu thép tạm và mở rộng hơn 60% không gian làm việc trong lòng hố móng so với hệ shoring truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của hai khung lý thuyết cơ bản trong địa kỹ thuật và kết cấu công trình ngầm:

  1. Lý thuyết cơ học kết cấu ứng suất trước: Dựa trên nguyên lý tạo ra ứng suất và mômen ngược chiều với tải trọng ngoài tác dụng. Hệ thanh giằng ứng suất trước dạng vòm bao gồm các dầm thép biên liên kết với hệ thống cáp căng ứng lực cao. Lực căng cáp tạo ra lực nén dọc theo các chân chống xiên của hệ vòm, tác dụng trực tiếp lên dầm wale để triệt tiêu áp lực đất chủ động truyền vào tường vây. Sơ đồ cân bằng lực tổng thể tuân theo phương trình cân bằng 4V = wL, trong đó w là áp lực đất phân bố trên mỗi mét dài và L là chiều dài nhịp giằng từ 20m đến 50m. Lực căng ứng suất trước danh định trong cáp được xác định chính xác qua biểu thức giải tích P = wL / (2sinα), với α là góc nghiêng của cáp tại các nút liên kết biên.

  2. Mô hình cơ học đất tăng bền: Mô tả ứng xử phi tuyến đàn dẻo của nền đất theo trạng thái ứng suất phụ thuộc. Mô hình này khắc phục hoàn toàn nhược điểm của mô hình Mohr-Coulomb bằng cách tách biệt biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo thông qua mối quan hệ hyperbol giữa ứng suất và độ biến dạng. Ba thông số độ cứng chính bao gồm: mô đun cát tuyến tham chiếu E50ref tại áp lực buồng chuẩn 100 kPa, mô đun tiếp tuyến nén cố kết Eoedref và mô đun nạp dỡ tải Eurref (thường lấy bằng 3 lần E50ref).

Nghiên cứu ứng dụng các khái niệm then chốt gồm: tiền chuyển vị của tường vây sinh ra do quá trình căng kéo cáp trước khi đào đất, hệ số ứng suất phụ thuộc m, giới hạn chuyển vị ngang cho phép He/150 (tương đương 0,67% chiều sâu đào) và tương quan độ lún nền lân cận bằng khoảng 50% chuyển vị ngang tường theo các nghiên cứu thực nghiệm quốc tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ phân tích được thu thập trực tiếp từ hồ sơ khảo sát địa chất công trình The Royal tại Đà Nẵng gồm 3 hố khoan sâu 50m (BH01, BH02, BH03) với 8 lớp địa chất đặc trưng, cùng số liệu quan trắc chuyển vị thực tế bằng thiết bị đo độ nghiêng Inclinometer tại 8 vị trí dọc chu vi tường vây (độ sâu quan trắc từ 16m đến 17,5m).

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp số phần tử hữu hạn 3 chiều, thực hiện thông qua phần mềm chuyên ngành Plaxis 3D. Lý do lựa chọn Plaxis 3D là khả năng mô phỏng chân thực tương tác phi tuyến 3 chiều giữa kết cấu không gian của hệ vòm giằng ứng suất trước, tường vây bê tông cốt thép dày 800mm và nền đất nhiều lớp với các điều kiện biên phức tạp theo từng giai đoạn hạ mực nước ngầm và đào đất từ cao độ 0,0m xuống đáy đài móng -12,0m.

Quy trình chọn mẫu bao gồm 24 mẫu đất thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước và không thoát nước (CU), kết hợp nén cố kết không nở hông để xác định các chỉ tiêu cơ lý. Cỡ mẫu đại diện cho 8 phân tầng địa chất từ đất đắp, cát xốp, bùn sét dẻo mềm đến sét cứng và đá phiến phong hóa. Do các mẫu cát và sét mềm chịu xáo động trong quá trình lấy mẫu làm suy giảm mô đun đàn hồi, nghiên cứu đã áp dụng phương pháp chuẩn hóa và hiệu chỉnh gián tiếp mô đun cát tuyến E50ref thông qua sức kháng cắt không thoát nước Su và chỉ số búa tiêu chuẩn SPT (với công thức thực nghiệm E50ref = 1500N cho các tầng cát). Timeline nghiên cứu được thực hiện trong 4 tháng (từ tháng 9 năm 2023 đến tháng 12 năm 2023), chia làm các bước: chuẩn hóa dữ liệu quan trắc Inclinometer, hiệu chuẩn tham số địa chất, mô phỏng so sánh đa phương án và hoàn thiện quy trình thiết kế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ các đặc tính làm việc cơ học và hiệu quả của hệ thống thanh giằng ứng suất trước thông qua 4 phát hiện trọng tâm:

Thứ nhất, việc hiệu chỉnh bộ thông số mô đun độ cứng của đất nền là yếu tố quyết định độ tin cậy của mô hình số. Giá trị mô đun cát tuyến E50ref của lớp sét ít dẻo dẻo cứng (lớp 5) trích xuất trực tiếp từ thí nghiệm ba trục ban đầu chỉ đạt 1,08 MPa, dẫn đến sai số chuyển vị tính toán vượt quá 300% so với thực tế. Sau khi hiệu chỉnh gián tiếp qua sức kháng cắt không thoát nước Su = 36 kN/m2, mô đun E50ref đạt 36,0 MPa, đưa sai số chuyển vị giữa mô hình Plaxis 3D và số liệu quan trắc thực tế tại vị trí CV2 về dưới 5%.

Thứ hai, nghiên cứu phát hiện sự thiếu hụt chuyển vị tích lũy trong dữ liệu quan trắc gốc do mốc chuẩn chân tường bị dịch chuyển. Qua việc chuẩn hóa chuyển vị dựa trên biến dạng nén của hệ chống tầng 1 (2H350, chiều dài 27,6m chịu lực nén 824 kN gây biến dạng 1,63mm), chuyển vị ngang lớn nhất thực tế của tường vây tại điểm CV2 tăng từ 53mm lên 58mm (tăng 9,4%), và tại CV6 tăng từ 29mm lên 54mm (tăng 86,2%).

Thứ ba, hệ thanh giằng ứng suất trước chứng minh khả năng kiểm soát biến dạng vượt trội. Tại giai đoạn đào sâu nhất -12,0m, chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây khi sử dụng 2 tầng giằng ứng suất trước tại cao độ -2,5m và -6,5m đạt 55,2mm, hoàn toàn tương đương với chuyển vị của hệ shoring truyền thống (54,8mm) và thấp hơn 31% so với ngưỡng giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn là 80,0mm (He/150).

Thứ tư, hiệu quả tiết kiệm vật liệu và giải phóng không gian đạt mức tối ưu. Hệ thanh giằng ứng suất trước với nhịp vòm 20m đến 50m và chiều cao vòm 3m đến 5m đã cắt giảm 28,5% tổng khối lượng thép hình tạm so với phương án shoring truyền thống, đồng thời giải phóng hoàn toàn khu vực trung tâm hố đào có diện tích hơn 2000m2.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự tương đồng về biến dạng giữa hai hệ thống nằm ở cơ chế tiền chuyển vị. Khi hệ cáp ứng suất trước được căng kéo với lực căng từ 600 kN đến 1200 kN trên mỗi bó cáp, một phản lực nén ngược chiều được truyền vào tường vây thông qua hệ dầm góc và chân vòm, đẩy tường vây dịch chuyển về phía lòng đất một khoảng từ 4mm đến 8mm trước khi máy đào đất vận hành. Khi đất trong lòng hố móng được bốc xúc, áp lực đất chủ động gia tăng sẽ đẩy tường trở lại vị trí cân bằng, từ đó triệt tiêu chuyển vị tổng thể.

Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các công bố thực nghiệm của Jong-Sik Park tại Hàn Quốc trên hố đào sâu 14,4m và nghiên cứu của Tugen Feng tại Trung Quốc trên hố đào sâu 8,0m. Đồng thời, số liệu lún mặt đất lân cận tối đa đạt 26mm, thỏa mãn quy luật độ lún nền xấp xỉ 50% chuyển vị ngang tường do Pakbaz đề xuất.

Về phương thức biểu diễn dữ liệu, toàn bộ quy luật biến dạng của tường vây theo chiều sâu được thể hiện qua hệ thống biểu đồ đường cong chuyển vị ngang tích lũy tại các pha đào -2,5m, -7,5m và -12,0m. Các bảng tra cứu nội lực chi tiết đã lượng hóa chính xác biểu đồ mômen uốn lớn nhất trong tường vây đạt 485 kNm/m và lực cắt lớn nhất đạt 210 kN/m, cung cấp cơ sở kiểm tra khả năng chịu lực cho các dầm giằng góc GX1 và GX4 chịu lực nén lên tới 6800 kN.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng số, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể:

  1. Chuẩn hóa quy trình khảo sát địa chất và hiệu chuẩn thông số mô hình đất: Các đơn vị tư vấn địa kỹ thuật cần áp dụng phương pháp xác định gián tiếp mô đun E50ref từ chỉ số SPT cho tầng cát (E50ref = 1500N) và từ sức kháng cắt không thoát nước Su cho tầng sét (tỷ lệ 200 đến 500 lần Su cho sét cố kết thường, 500 đến 1200 lần Su cho sét quá cố kết nhẹ) thay vì sử dụng trực tiếp kết quả nén ba trục có xáo động mẫu. Mục tiêu nâng độ chính xác của mô hình dự báo chuyển vị đạt trên 95%, áp dụng ngay trong giai đoạn lập báo cáo nghiên cứu khả thi từ năm 2024.

  2. Thiết kế tối ưu hóa hình học hệ giằng vòm ứng suất trước: Đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu cần lựa chọn chiều dài nhịp giằng vòm trong phạm vi từ 20m đến 50m, tỷ lệ chiều cao vòm trên chiều dài nhịp duy trì từ 1/10 đến 1/8 (khoảng 3m đến 5m). Giải pháp này giúp lực căng trong cáp phát huy tối đa hiệu quả triệt tiêu áp lực đất mà không làm tăng quá mức mômen uốn tại các chân vòm liên kết với tường vây, hoàn thành thẩm định trong vòng 45 ngày trước khi phát hành hồ sơ thi công.

  3. Tăng cường kiểm soát cục bộ vị trí thanh chống góc và dầm chuyển: Nhà thầu thi công cần chế tạo dầm chống góc bằng thép tổ hợp hình hộp hoặc thép hình đôi cường độ cao để tiếp nhận lực nén tập trung từ 3500 kN đến 7000 kN. Quy trình căng cáp phải được chia làm 3 cấp tải trọng (50%, 80% và 100% lực thiết kế) nhằm tránh hiện tượng uốn dọc cục bộ và nứt vỡ chân tường bê tông.

  4. Xây dựng quy trình quan trắc tự động và điều chỉnh lực căng cáp theo thời gian thực: Ban quản lý dự án cần bắt buộc lắp đặt hệ thống cảm biến đo lực căng Loadcell tại các đầu neo cáp kết hợp thiết bị đo Inclinometer tự động truyền dữ liệu theo chu kỳ 2 giờ một lần. Khi chuyển vị ngang thực tế vượt quá 80% giá trị dự báo, kỹ sư hiện trường phải tiến hành kích căng bổ sung lực ứng suất trước kịp thời trong vòng 12 giờ để khống chế biến dạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Chủ đầu tư và các Ban quản lý dự án bất động sản cao tầng: Cung cấp giải pháp công nghệ mới giúp cắt giảm từ 15% đến 25% chi phí hạng mục kết cấu chống đỡ tạm, đồng thời rút ngắn tiến độ thi công đào đất tầng hầm từ 15% đến 20% nhờ không gian làm việc rộng thoáng.

  2. Kỹ sư tư vấn thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật công trình ngầm: Cung cấp tài liệu hướng dẫn hoàn chỉnh về phương pháp mô hình hóa 3D bằng Plaxis 3D, quy trình tính toán lực căng cáp danh định và công thức xác định nội lực trong hệ thanh giằng vòm ứng suất trước để áp dụng vào các dự án hố móng sâu từ 2 đến 5 tầng hầm.

  3. Nhà thầu thi công và chỉ huy trưởng công trường: Nắm bắt giải pháp bố trí mặt bằng thi công hiện đại, loại bỏ mạng lưới dầm chống shoring dày đặc để tăng năng suất vận hành của máy đào đất lên hơn 40%, hạn chế tối đa rủi ro va chạm cơ giới vào hệ kết cấu chống tạm.

  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm: Sử dụng làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về ứng xử cơ học đất phi tuyến, mô hình Hardening Soil và phương pháp xử lý số liệu quan trắc Inclinometer thực tế tại các đô thị ven biển có địa chất phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống thanh giằng ứng suất trước khác biệt căn bản như thế nào so với hệ shoring truyền thống? Hệ shoring truyền thống dùng lưới dầm thép ngang bố trí dày đặc cách nhau 4m đến 8m làm không gian hố đào bị chia cắt chật hẹp. Hệ thanh giằng ứng suất trước sử dụng kết cấu dầm vòm biên kết hợp cáp căng ứng lực nhịp 20m đến 50m, giải phóng toàn bộ diện tích lòng hố móng và giảm hơn 28% khối lượng thép tạm.

Tại sao phải hiệu chỉnh mô đun biến dạng cát tuyến của đất nền từ số liệu khảo sát địa chất? Mẫu đất sét và cát trong quá trình khoan lấy mẫu thí nghiệm thường bị xáo động cơ học làm suy giảm độ cứng ban đầu, khiến mô đun đo được trong phòng thí nghiệm chỉ đạt 1,08 MPa (quá nhỏ). Việc hiệu chỉnh lại theo sức kháng cắt không thoát nước Su giúp đưa mô đun lên 36,0 MPa, phản ánh đúng trạng thái làm việc thực của đất nền.

Hệ thống thanh giằng ứng suất trước có an toàn cho các công trình lân cận hố đào không? Hệ thống này đảm bảo an toàn tuyệt đối nhờ cơ chế tạo tiền chuyển vị âm từ 4mm đến 8mm trước khi đào. Kết quả quan trắc thực tế cho thấy chuyển vị ngang của tường vây được khống chế ở mức 55mm, giữ độ lún mặt đất lân cận dưới 26mm, đáp ứng nghiêm ngặt giới hạn cho phép của tiêu chuẩn xây dựng đô thị.

Các góc hố đào có cấu tạo đặc biệt gì để tiếp nhận lực căng ứng suất trước lớn? Tại các góc hố đào, dầm giằng chuyển góc được bố trí kết hợp với các thanh chống xiên thép hình cỡ lớn. Kết cấu góc này tiếp nhận lực nén dọc trục truyền từ các đầu neo cáp với độ lớn từ 3500 kN đến 6800 kN, phân bổ đều tải trọng vào hệ tường vây bê tông cốt thép dày 800mm.

Hệ thống này có thể áp dụng cho các hố đào có chiều sâu trên 15m không? Hệ thống hoàn toàn áp dụng hiệu quả cho hố đào sâu từ 12m đến 20m bằng cách bố trí từ 3 đến 4 tầng giằng vòm ứng suất trước theo chiều đứng. Khi độ sâu tăng lên, việc gia tăng bán kính cong của vòm và số lượng tao cáp sẽ tăng cường khả năng chịu tải của hệ kết cấu một cách tối ưu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình tính toán, thiết kế và đánh giá ứng xử cơ học của hệ thống chống đỡ áp lực đất bằng thanh giằng ứng suất trước dạng vòm cho hố đào sâu tại Việt Nam.
  • Thiết lập phương pháp hiệu chỉnh tham số mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis 3D, khắc phục triệt để sai số cơ học do xáo động mẫu đất thí nghiệm trong phòng.
  • Chứng minh hệ giằng ứng suất trước khống chế chuyển vị ngang tối đa của tường vây ở mức 55,2mm (tương đương 0,46% chiều sâu đào), đảm bảo độ an toàn tương đương hệ shoring truyền thống và thấp hơn nhiều so với ngưỡng cho phép 80,0mm.
  • Đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật vượt trội khi cắt giảm 28,5% khối lượng thép kết cấu tạm và mở rộng hơn 60% không gian thi công đào đất trong lòng hố móng.
  • Đưa ra các chỉ dẫn chi tiết về cấu tạo nút liên kết chân vòm, đầu neo cáp và giải pháp chống góc chịu lực nén lớn phục vụ thi công thực tiễn.

Đóng góp chính của luận văn là đặt nền móng khoa học và quy trình thực hành cho công nghệ giằng ứng suất trước tại Việt Nam, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi cho các dự án nhà cao tầng có từ 2 đến 5 tầng hầm trong giai đoạn 2024-2030. Các đơn vị tư vấn và nhà thầu xây dựng nên sớm nghiên cứu chuyển giao và ứng dụng công nghệ này để tối ưu hóa chi phí và đẩy nhanh tiến độ thi công công trình ngầm đô thị.