Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các đô thị lớn thúc đẩy sự gia tăng mạnh mẽ của các công trình nhà cao tầng tích hợp tầng hầm nhằm tối ưu hóa diện tích sàn sử dụng và giải quyết nhu cầu đỗ xe, thương mại. Tuy nhiên, thi công hố đào sâu phục vụ tầng hầm luôn là giai đoạn phức tạp, tiềm ẩn rủi ro chuyển vị nền đất và chiếm tỷ trọng chi phí lớn trong tổng mức đầu tư dự án. Phương pháp truyền thống phổ biến tại Việt Nam hiện nay là sử dụng hệ văng chống thép shoring dạng lưới dầm ngang dày đặc với khoảng cách điển hình từ 4 m đến 8 m. Cách bố trí này tạo ra không gian thi công chật hẹp, cản trở đáng kể hoạt động của máy đào đất, kéo dài tiến độ và tiêu tốn khối lượng thép rất lớn. Trong khi đó, giải pháp neo trong đất (ground anchors) dù tạo không gian thông thoáng nhưng bị hạn chế nghiêm trọng tại các khu đô thị đông đúc do xung đột ranh giới ngầm với cọc, tường vây lân cận hoặc vướng mắc pháp lý cấp phép.

Đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp thay thế tiên tiến: hệ thống chống đỡ áp lực đất sử dụng thanh giằng ứng suất trước dạng vòm (Prestressed Wale System). Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng quy trình tính toán, thiết kế tối ưu hệ thanh giằng ứng suất trước, bao gồm xác định khẩu độ vòm, số lượng cáp căng, lực căng kéo trước và kích thước dầm giằng góc nhằm kiểm soát chuyển vị tường vây tương đương hệ shoring truyền thống nhưng giảm thiểu khối lượng vật liệu và giải phóng tối đa không gian lòng hố đào.

Phạm vi nghiên cứu được áp dụng thực tế trên công trình tổ hợp The Royal tại Quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng, có quy mô 2 tầng hầm và 29 tầng nổi trên diện tích mặt bằng 56 m x 55 m, chiều sâu đào hố móng đạt 12 m. Hố đào sử dụng tường vây bê tông cốt thép barrette dày 800 mm, ngàm sâu 20 m vào địa tầng, kết hợp 2 tầng chống tại cao độ -2,5 m và -6,5 m. Nghiên cứu thực hiện từ tháng 09 năm 2023 đến tháng 01 năm 2024, mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi mở ra hướng ứng dụng công nghệ ứng suất trước vào công trình ngầm đô thị tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học kết cấu thanh giằng ứng suất trước và cơ học đất phi tuyến nâng cao. Về mặt cơ học, hệ thanh giằng ứng suất trước hoạt động dựa trên nguyên lý vòm chịu lực kết hợp dây cáp ứng suất trước căng ở biên trong. Lực căng trước $P$ tạo ra các phản lực nén hướng tâm tại các điểm chân vòm, sinh ra áp lực và mô men ngược chiều tác dụng trực tiếp để triệt tiêu áp lực chủ động của đất lên tường vây. Theo sơ đồ cân bằng nút của hệ vòm 4 chân chống điển hình, mối quan hệ giữa lực ứng suất trước $P$, áp lực đất phân bố $w$ và chiều dài nhịp giằng $L$ được xác lập qua công thức $P = wL / (2 \sin \alpha_1)$, trong đó $\alpha_1$ là góc nghiêng của tuyến cáp. Hệ thống tạo ra một giá trị tiền chuyển vị ngược hướng, giúp biên độ dịch chuyển cuối cùng sau đào luôn nằm trong giới hạn cho phép.

Về mô hình hóa địa kỹ thuật, nghiên cứu áp dụng mô hình tăng bền Hardening Soil (HS) đề xuất bởi Schanz, Vermeer và Bonnie. Khác với mô hình đàn dẻo Mohr-Coulomb lý tưởng, mô hình HS mô tả chính xác ứng xử phi tuyến của đất cát và đất sét thông qua 3 thông số độ cứng phụ thuộc ứng suất: mô đun cát tuyến ba trục $E_{50}^{ref}$, mô đun nén cố kết tiếp tuyến $E_{oed}^{ref}$ và mô đun dỡ tải - gia tải $E_{ur}^{ref} \approx 3 E_{50}^{ref}$, cùng số mũ ứng suất $m$. Giới hạn chuyển vị ngang của tường vây được kiểm soát theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt từ nghiên cứu của Peck và Ou, khống chế ở mức không vượt quá 0,67% chiều sâu hố đào ($H_e/150$), tương ứng 80 mm đối với hố đào sâu 12 m.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu khảo sát địa chất gồm 3 hố khoan sâu 50 m (BH01, BH02, BH03) và hệ thống 8 vị trí quan trắc chuyển vị ngang bằng ống Inclinometer (từ CV1 đến CV8) cắm sâu đến -17,5 m dọc thân tường vây. Địa tầng dự án gồm 8 lớp đất phức tạp từ bùn sét yếu, sét dẻo mềm đến sét dẻo cứng và nền đá phiến phong hóa ở đáy, với mực nước ngầm xuất hiện tại cao độ -1,2 m.

Cỡ mẫu phân tích bao gồm toàn bộ mẫu đất nguyên dạng thu thập từ các độ sâu đại diện, kết hợp kết quả thí nghiệm nén 3 trục cố kết thoát nước CU và chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT (N30 từ 3 đến 50 búa). Do giá trị mô đun $E_{50}^{ref}$ từ thí nghiệm CU ban đầu cho kết quả quá nhỏ (chỉ từ 771 đến 1.250 kN/m² đối với các lớp sét), nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích ngược (back-analysis), hiệu chỉnh gián tiếp mô đun $E_{50}^{ref}$ thông qua sức kháng cắt không thoát nước $S_u$ và đối sánh trực tiếp với chu kỳ quan trắc thực tế CK9, CK19, CK46. Mô phỏng số 3 chiều được thực hiện bằng phần mềm Plaxis 3D qua 12 pha thi công tuần tự, mô phỏng chính xác tương tác phức tạp giữa đất - tường vây - thanh giằng dạng vòm và hệ dầm góc giằng xiên.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình phân tích số 3 chiều và số liệu quan trắc thực địa đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả vượt trội của hệ thanh giằng ứng suất trước:

Thứ nhất, khả năng kiểm soát biến dạng của hệ giằng ứng suất trước đạt mức độ tương đương hoàn toàn so với hệ shoring truyền thống. Chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây đo đạc thực tế sau chuẩn hóa tại vị trí quan trắc CV2 đạt 58 mm và tại CV6 đạt 54 mm. Khi ứng dụng hệ thống thanh giằng ứng suất trước với khẩu độ vòm từ 20 m đến 50 m và chiều cao vòm 3 m đến 5 m, chuyển vị ngang tính toán trên mô hình Plaxis 3D đạt 56,2 mm, thấp hơn đáng kể so với ngưỡng giới hạn cho phép $H_e/150 = 80$ mm.

Thứ hai, tối ưu hóa triệt để không gian làm việc trong lòng hố móng. Thay vì phải lắp đặt hàng trăm thanh chống thép H350 hoặc H400 giăng kín hố đào với mật độ 4 m đến 8 m một thanh, hệ thanh giằng ứng suất trước chỉ bố trí bám sát chu vi mép tường vây, giải phóng hơn 75% diện tích mặt bằng trung tâm 56 m x 55 m, giúp xe đào và thiết bị vận chuyển đất hoạt động với năng suất tối đa.

Thứ ba, giảm thiểu đáng kể khối lượng thép kết cấu. Tổng khối lượng vật liệu thép hình tạm tính cho toàn bộ hệ giằng ứng suất trước (bao gồm thanh dầm vòm, dầm giằng góc và hệ cáp dự ứng lực 7 sợi cường độ cao) giảm khoảng 28% so với phương án shoring dầm thép truyền thống, giúp tiết kiệm chi phí vật tư và giảm thời gian cẩu lắp, tháo dỡ xuống còn 60% so với kế hoạch ban đầu.

Thứ tư, xác định sự tập trung ứng suất rất lớn tại các cấu kiện đặc thù. Lực nén dọc trục tại các dầm giằng góc GX1 và GX4 tăng cao đột biến, đạt giá trị nén tính toán hơn 4.200 kN tại tầng chống thứ nhất (-2,5 m) và vượt 6.800 kN tại tầng chống thứ hai (-6,5 m), đòi hỏi phải sử dụng tiết diện dầm thép đôi tăng cường và gia cố bản mã liên kết kiên cố.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo "tiền chuyển vị" của hệ cáp ứng suất trước đóng vai trò quyết định trong việc triệt tiêu biến dạng phình hông của tường vây barrette. Khi lực căng cáp được kích hoạt, hệ dầm vòm đẩy ngược tường vây ra phía ngoài khối đất một khoảng từ 4 mm đến 8 mm. Do đó, khi bước vào giai đoạn đào đất sâu đến cao độ -12 m, độ dịch chuyển tịnh tiến tích lũy của đỉnh và thân tường được bù trừ hoàn hảo.

Dữ liệu so sánh giữa hai phương án có thể được trực quan hóa rõ nét qua biểu đồ phong bì nội lực (moment và lực cắt) dọc thân tường vây và bảng tổng hợp khối lượng kết cấu. Biểu đồ mô men uốn cho thấy giá trị mô men âm tại vị trí đặt tầng chống của phương án thanh giằng ứng suất trước phân bố đều hơn, không xuất hiện các đỉnh mô men cục bộ nguy hiểm như ở hệ shoring. Kết quả này tương đồng với các công bố khoa học của Tugen Feng tại công trình Giang Âm (Trung Quốc) và mô hình nghiên cứu của Jong-Sik Park tại Hàn Quốc. Tuy nhiên, điểm khác biệt tại Việt Nam nằm ở địa tầng cát mịn bão hòa nước xen kẹp bùn sét yếu ven biển, đòi hỏi mô đun biến dạng của các lớp đất 5, 6, 7 phải được hiệu chỉnh tăng từ 36.000 kN/m² đến 100.000 kN/m² để phản ánh đúng độ cứng của nền đất dẻo cứng đến nửa cứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân tích ứng xử và tính toán chuyên sâu, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm áp dụng hiệu quả công nghệ thanh giằng ứng suất trước tại các công trình ngầm:

  1. Thiết kế tăng cường tiết diện và gia cố liên kết nút dầm giằng góc: Nhà thầu và đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu cần áp dụng tiết diện thép tổ hợp hoặc thép hình đôi (như 2H400 hoặc dầm hộp hàn tăng cứng) cho các thanh chống xiên tại góc hố móng. Mục tiêu là chịu được lực nén tập trung trên 7.000 kN mà không xảy ra hiện tượng mất ổn định tổng thể, hoàn thành thiết kế chi tiết trước giai đoạn phát hành bản vẽ thi công 30 ngày.
  2. Chuẩn hóa quy trình hiệu chỉnh mô đun đất nền qua thí nghiệm hiện trường: Đơn vị khảo sát và thiết kế địa kỹ thuật cần chấm dứt việc sử dụng trực tiếp mô đun $E_{50}$ từ thí nghiệm nén 3 trục CU chưa qua xử lý đối với các tầng sét dẻo cứng. Khuyến nghị áp dụng công thức tương quan gián tiếp qua sức kháng cắt $S_u$ và chỉ số SPT ($E_{50}^{ref} = 1.500 \cdot N_{30}$ đến $2.000 \cdot N_{30}$) kết hợp mô hình Hardening Soil để độ lệch chuyển vị giữa tính toán và thực tế không vượt quá 10%.
  3. Kiểm soát quy trình căng kéo cáp ứng suất trước theo từng phân đoạn đào: Đơn vị quản lý dự án và tư vấn giám sát phải thiết lập quy trình kích căng cáp phân kỳ 2 giai đoạn (căng sơ bộ 50% trước khi đào và căng 100% lực thiết kế khi đào tới đáy tầng chống). Timeline thi công yêu cầu hoàn tất công tác căng kéo trong vòng 24 giờ sau khi lắp dựng dầm vòm để hạn chế tối đa độ lún của các công trình lân cận xuống dưới mức 0,5 lần chuyển vị ngang tường vây (dưới 25 mm).
  4. Tối ưu hóa bán kính cong và khẩu độ hệ dầm vòm: Đội ngũ kỹ sư thiết kế cần tính toán tỷ lệ hình học tối ưu giữa chiều cao vòm và chiều dài nhịp trong khoảng 1/8 đến 1/10 đối với các hố đào có cạnh dài từ 40 m đến 60 m. Giải pháp này giúp phát huy 90% hiệu suất chịu lực của cáp dự ứng lực, giảm tối đa số lượng tầng chống trung gian.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn sâu sắc và hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình ngầm: Nắm vững phương pháp thiết lập mô hình 3D trong Plaxis 3D, quy trình tính toán lực căng cáp $P = wL / (2 \sin \alpha_1)$, và kỹ thuật hiệu chuẩn thông số đất nền Hardening Soil cho bài toán hố đào sâu trong đô thị.
  • Các nhà thầu thi công xây dựng hầm và nền móng: Tiếp cận giải pháp công nghệ mới giúp giải phóng không gian lòng hố móng, tối ưu hóa biểu đồ vận hành máy móc đào đất, rút ngắn 20% đến 30% tiến độ thi công phần ngầm và giảm chi phí thuê thép hình.
  • Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án bất động sản: Có cơ sở khoa học để đánh giá tính khả thi kinh tế - kỹ thuật khi phê duyệt biện pháp thi công tầng hầm tại các khu đất "kim cương" bị giới hạn không gian neo đất và mật độ xây dựng cao.
  • Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Địa kỹ thuật - Xây dựng công trình ngầm: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên đề về ứng xử tương tác đất - kết cấu giữ đất ứng suất trước và phát triển các đề tài mô phỏng số nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống thanh giằng ứng suất trước vượt trội hơn hệ shoring truyền thống ở những điểm nào? Hệ thanh giằng ứng suất trước giải phóng hơn 75% không gian thi công lòng hố móng nhờ loại bỏ hoàn toàn hệ dầm chống ngang đan lưới. Giải pháp này giúp tiết kiệm khoảng 28% khối lượng thép hình tạm, rút ngắn thời gian lắp dựng và đẩy nhanh tốc độ đào đất của máy xúc.

Tại sao mô hình Hardening Soil lại bắt buộc phải hiệu chỉnh mô đun $E_{50}^{ref}$ trong nghiên cứu này? Thí nghiệm nén 3 trục CU từ mẫu nguyên dạng trong phòng thường đánh giá thấp độ cứng của đất do xáo động mẫu, cho mô đun chỉ 771 đến 1.250 kN/m². Hiệu chỉnh $E_{50}^{ref}$ qua sức kháng cắt $S_u$ và số búa SPT giúp mô phỏng chính xác ứng xử thực tế của hố đào.

Phương pháp thanh giằng ứng suất trước kiểm soát độ lún công trình lân cận như thế nào? Theo nghiên cứu thực nghiệm, độ lún nền đất lân cận xấp xỉ bằng một nửa chuyển vị ngang của tường vây. Bằng cách kích căng cáp tạo tiền chuyển vị đẩy ngược tường vây từ 4 mm đến 8 mm, độ dịch chuyển tổng thể được khống chế dưới 58 mm, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình xung quanh.

Cấu kiện nào trong hệ thanh giằng ứng suất trước chịu tải trọng nguy hiểm nhất? Thanh chống xiên tại góc hố đào (dầm giằng góc GX1, GX4) và chân chống hệ vòm là những vị trí nguy hiểm nhất. Dầm góc phải chịu lực nén tập trung lên tới hơn 6.800 kN, trong khi chân vòm chịu mô men uốn cục bộ lớn do lực kéo của các tao cáp ứng suất trước.

Hệ thống thanh giằng ứng suất trước có phù hợp cho mọi quy mô hố đào không? Hệ thống phát huy hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất đối với hố đào có kích thước cạnh từ 20 m đến 50 m và chiều sâu từ 2 đến 4 tầng hầm trong đô thị đông đúc. Đối với hố đào khẩu độ quá nhỏ dưới 15 m, hệ shoring truyền thống vẫn là giải pháp kinh tế hơn.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và mang lại những đóng góp khoa học, thực tiễn quan trọng:

  • Đã xây dựng thành công quy trình tính toán, thiết kế hoàn chỉnh 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 chuẩn thông số mô hình đất tăng bền Hardening Soil thông qua dữ liệu quan trắc Inclinometer và sức kháng cắt không thoát nước $S_u$, giải quyết triệt để sai số độ cứng đất nền.
  • Chứng minh phương án thanh giằng ứng suất trước kiểm soát chuyển vị ngang của tường vây dưới ngưỡng 58 mm (đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt $H_e/150$), đồng thời giảm khoảng 28% khối lượng thép hình so với hệ shoring.
  • Làm rõ quy luật truyền lực và sự tập trung ứng suất nén vượt 6.800 kN tại hệ dầm giằng góc, đưa ra các chỉ dẫn cấu tạo an toàn cho thực tế thi công.
  • Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2024–2025 là hoàn thiện tiêu chuẩn cơ sở và triển khai thử nghiệm thực địa quy mô lớn trên các dự án tầng hầm cao tầng tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.

Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng công trình ngầm hãy chủ động nghiên cứu, áp dụng công nghệ thanh giằng ứng suất trước để tối ưu hóa chi phí đầu tư và nâng cao năng lực cạnh tranh trong thi công hố đào sâu đô thị.