Giáo Trình Cơ Sở Thiết Kế Và Thi Công Công Trình Ngầm Đô Thị

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở thiết kế và thi công công trình ngầm đô thị do tác giả Nguyễn Đức Nguồn biên soạn, Bộ môn Xây dựng công trình ngầm đô thị – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội chủ trì và được Nhà xuất bản Xây dựng phát hành năm 2012. Tài liệu được thiết kế làm giáo trình giảng dạy chính khóa cho sinh viên chuyên ngành Xây dựng công trình ngầm đô thị, đồng thời phục vụ công tác đào tạo, bồi dưỡng kỹ sư thuộc các ngành Xây dựng dân dụng, Cầu hầm và Kỹ thuật hạ tầng kỹ thuật đô thị.

Về mục tiêu học tập, giáo trình trang bị cho người học hệ thống lý luận và thực hành bao gồm:

  • Nắm vững khái niệm, phân loại và các hình thức khai thác không gian ngầm trong quy hoạch đô thị.
  • Hiểu rõ các nguyên tắc quy hoạch không gian ngầm theo phương đứng và theo mặt bằng đô thị.
  • Nắm bắt đặc điểm cấu tạo kết cấu vỏ công trình ngầm dạng tuyến và dạng hình hộp.
  • Làm chủ quy trình, nhiệm vụ và phương pháp khảo sát địa kỹ thuật phục vụ thiết kế, thi công công trình ngầm.
  • Đánh giá hiệu quả kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường và giải quyết bài toán tương tác giữa công trình ngầm với nền đất.

Cách tiếp cận của giáo trình đi từ cơ sở pháp lý (các Nghị định của Chính phủ về quản lý không gian ngầm đô thị, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia, Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế, thi công, nghiệm thu), phân tích lịch sử và xu hướng phát triển công trình ngầm trên thế giới, đến việc ứng dụng trực tiếp vào điều kiện địa chất công trình đặc thù của Việt Nam (điển hình tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Chương I: Những vấn đề chung

  • Khái niệm và phân loại công trình ngầm đô thị (CTNĐT): Định nghĩa công trình ngầm là các công trình xây dựng dưới mặt đất tại đô thị. Phân loại theo công năng gồm: công trình công cộng ngầm (thương mại, văn hóa, thể thao, rạp hát, nghiên cứu), công trình công nghiệp ngầm (đầu mối kỹ thuật, trạm biến áp, trạm xử lý chất thải, đề pô sửa chữa), công trình giao thông ngầm (tuyến metro, ga ngầm, hầm đường bộ, hầm bộ hành, bến đỗ/gara), phần ngầm của công trình trên mặt đất (tầng hầm nhà cao tầng), mạng kỹ thuật ngầm (hào kỹ thuật, tuynen cấp thoát nước, cấp gas, điện lực, viễn thông) và các tổ hợp ngầm đa chức năng.
  • Phân loại theo sơ đồ và thông số kỹ thuật: Phân loại theo sơ đồ mặt bằng thành dạng tuyến (đường hầm, tuynen dẫn nước) và dạng điểm (chiều dài hạn chế); phân chia theo chiều sâu gồm loại đặt nông ($H < 10 - 12\text{ m}$) và loại đặt sâu ($H > 10 - 12\text{ m}$); phân loại theo phương pháp thi công gồm đào hở, đào ngầm và phương pháp đặc biệt.
  • Lịch sử và xu hướng phát triển: Trình bày các dấu mốc lịch sử như thành phố ngầm Petra (Jordan), Abu-Simbel, thành phố Kaimakli 8–10 tầng sâu trong đá phún thạch (Thổ Nhĩ Kỳ), các hầm đào Kiva ở Bắc Mỹ, hầm đường sắt thế kỷ XIX (Simplon 20 km, Saint-Gotthard 15 km), trạm thủy điện ngầm đầu thế kỷ XX (Đức, Thụy Sỹ). Tổng hợp danh mục hệ thống metro thế giới (Bảng 1.1) tại London (1863), New York (1868/1871), Paris (1890/1900), Tokyo (1927), Moskva (1935)... Phân tích định hướng mạng lưới đường sắt đô thị tại Việt Nam gồm các tuyến metro tại Hà Nội (Tuyến 1 đến Tuyến 5) và TP. Hồ Chí Minh (Tuyến 1 đến Tuyến 6), cùng các công trình hầm Kim Liên, hầm vượt sông Sài Gòn (Thủ Thiêm).
  • Giải pháp quy hoạch không gian ngầm:
    • Quy hoạch theo phương đứng: Tầng nông ($< 20\text{ m}$) bố trí mạng kỹ thuật, đường bộ hành kết hợp thương mại, nút giao thông, bãi đỗ xe, ga metro nông; tầng sâu ($> 20\text{ m}$) bố trí metro sâu, đường ống dẫn sâu, tuyến giao thông đường dài, công trình chứa chất thải độc hại hoặc quốc phòng.
    • Quy hoạch theo mặt bằng: Định mức sơ bộ $0{,}2\text{ m}^2/\text{người}$ cho mục đích thương mại - dịch vụ và $0{,}1\text{ m}^2/\text{người}$ cho công trình văn hóa, thể thao, giáo dục.
  • Kết cấu công trình ngầm:
    • Công trình dạng tuyến: Phân tích hình thái mặt cắt dọc (bằng phẳng, dốc 1 chiều, dốc 2 chiều); các dạng mặt cắt ngang gồm hình tròn (phù hợp đất yếu, áp lực nước lớn, thi công khiên đào/kích đẩy), hình móng ngựa (chịu áp lực ngang lớn), tường đứng vòm cong (trong đá rắn), hình chữ nhật (lớp phủ mỏng, đào hở), hình elip. Cấu tạo vỏ hầm gồm mái, tường và bản đáy (vòm ngược).
    • Công trình dạng hình hộp: Kết cấu nhiều tầng, nhiều nhịp thi công bằng phương pháp đào hở.
    • Vật liệu và cấu tạo vỏ hầm: Vỏ toàn khối, vỏ lắp ghép (có bu lông liên kết hoặc không), vỏ bê tông, vỏ bê tông cốt thép, vỏ đá, vỏ kim loại, vỏ ứng suất trước. Cấu tạo cửa hầm vuông góc trục tuyến, nhô ra tối thiểu $1{,}5\text{ m}$, chống ngập theo tần suất mưa lũ 300 năm.
  • Đánh giá hiệu quả kinh tế – xã hội và môi trường: Ứng dụng công thức tính hệ số hiệu quả đầu tư so sánh $E = \sum \Delta A_i / \Delta B_i$ và thời hạn hoàn vốn $T_{hv} = 1/E$ (hệ số hiệu quả $0{,}10 - 0{,}12$, hoàn vốn xấp xỉ 10 năm). Số liệu thực nghiệm môi trường tại Quảng trường Mayakovskaya (Moskva): nồng độ CO giảm 4 lần, mức ồn giảm từ 80–95 dB xuống 55–65 dB sau khi ngầm hóa giao thông.

Chương II: Khảo sát kỹ thuật phục vụ thiết kế và xây dựng công trình ngầm đô thị

  • Đặc điểm làm việc của CTNĐT: Chiều sâu móng thay đổi từ $3-15\text{ m}$ (đào lộ thiên), $20-30\text{ m}$ (hạ giếng), đến $50-100\text{ m}$; quy mô công trình lớn tác động đến trạng thái ứng suất - biến dạng của vỏ Trái Đất và phụ thuộc biện pháp thi công.
  • Nhiệm vụ và các giai đoạn khảo sát: Ba giai đoạn gồm khảo sát sơ bộ (nghiên cứu tài liệu lưu trữ, lộ trình), khảo sát kỹ thuật (xác định định lượng tải trọng, tính toán kết cấu, ổn định thành vách) và kiểm tra/quan trắc trong thi công. Ba mức độ chi phí khảo sát: mức chi phí chuẩn chiếm khoảng 3% tổng giá trị xây lắp để hạn chế rủi ro phát sinh kinh phí xử lý sự cố (có thể lên tới 12–15%).
  • Đặc điểm địa tầng và hiện tượng địa chất bất lợi: Phân tích ảnh hưởng của đới đứt gãy, tầng đá nằm ngang, nghiêng, thẳng đứng; hiện tượng xói ngầm và cát chảy (hệ số không đồng nhất $d_{60}/d_{10} < 1$, hạt mịn $d < 0{,}1\text{ cm}$); hiện tượng chảy dẻo bung nền của đất sét theo hệ số ổn định $K = \frac{2c}{\sigma_1 - \sigma_3} < 1$; hiện tượng Karst trong đá vôi.
  • Phân vùng địa kỹ thuật công trình (theo tài liệu PGS.TS. Đoàn Thế Tường):
    • Khu vực Hà Nội: Khu A (rất thuận tiện - đất sét Pleixtoxen trên $R_0 = 0{,}25 - 0{,}3\text{ MPa}$, Holoxen trên $R_0 = 0{,}08 - 0{,}12\text{ MPa}$), Khu B (tương đối thuận tiện - nền hai lớp cát Pleixtoxen/Holoxen), Khu C (ít thuận tiện - nền nhiều lớp sét chứa than bùn, bùn hữu cơ, nước áp lực).
    • Khu vực TP. Hồ Chí Minh: Khu A (rất thuận tiện - sét tầng Củ Chi, Thủ Đức, Trảng Bom), Khu B (ít thuận tiện - bùn hữu cơ tầng Cần Giờ dày $10 - 30\text{ m}$, nước ngầm nông $0{,}5 - 1\text{ m}$, có tính ăn mòn).
  • Phương pháp khảo sát địa chất – địa vật lý: Phương pháp khoan lấy mẫu nguyên dạng (khoan đứng đường kính $\ge 108\text{ mm}$ cho sét/cát, $\ge 89\text{ mm}$ cho đá; khoan ngang đường kính $45-120\text{ mm}$ sâu đến $500\text{ m}$); quy định chiều sâu lỗ khoan (sâu hơn đáy hầm $8-10\text{ m}$ hoặc ngàm vào tầng bền nước $2-3\text{ m}$, đối với tường trong đất lấy $1{,}5H + 5\text{ m}$); các phương pháp địa vật lý hiện đại như đo địa chấn sóng âm, đo điện trở suất (12 bậc), radar xuyên đất (GPR dải tần $1-1000\text{ MHz}$), đo từ lực/trọng lực, quang học quan sát lỗ khoan (kính ngắm, camera truyền hình), ống nút cao su lấy dấu vết nứt và karôta lỗ khoan.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Cơ học đất đá và địa kỹ thuật công trình ngầm: Mô hình hóa ứng suất nguyên sinh, trạng thái biến dạng dỡ tải và tải trọng thứ sinh xuất hiện xung quanh biên hầm khi đào đất đá.
  • Tương tác cơ học kết cấu – môi trường: Quy luật làm việc đồng thời giữa các lớp vỏ chống đỡ (toàn khối, lắp ghép, bê tông phun, vòm ngược) và khối đất bao quanh.
  • Nguyên lý tích hợp hạ tầng kỹ thuật: Cơ sở phân vùng chức năng không gian ngầm đô thị kết hợp giữa giao thông ngầm, công trình công cộng, hạ tầng tuynen kỹ thuật và an ninh quốc phòng.

Kỹ năng phát triển

  • Phân tích và xử lý số liệu địa kỹ thuật: Kỹ năng đọc hiểu các chỉ tiêu cơ lý đất đá ($R_0$, $q_c$, $SPT\ N_{30}$, $c$, $\varphi$, môđun biến dạng $E$) từ báo cáo khảo sát để phục vụ tính toán tải trọng tác dụng lên kết cấu ngầm.
  • Lựa chọn giải pháp hình học và kết cấu: Xác định hình dạng mặt cắt ngang (tròn, chữ nhật, móng ngựa, elip) phù hợp với phương pháp thi công (TBM, đào hở, hạ giếng, kích đẩy ống) và điều kiện áp lực địa tầng.
  • Lập nhiệm vụ và phương án khảo sát: Thiết lập mạng lưới hố khoan, xác định chiều sâu thăm dò và lựa chọn tổ hợp phương pháp địa vật lý (GPR, Karôta, địa chấn) cho từng giai đoạn dự án.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Phương pháp tiếp cận sư phạm: Giáo trình xây dựng cấu trúc bài giảng logic đi từ tổng quan lý thuyết, lịch sử phát triển, quy định pháp lý đến các giải pháp tính toán thiết kế chi tiết và biện pháp khảo sát thực địa.
  • Gắn kết số liệu thực nghiệm và đồ thị: Nội dung học tập được minh họa thông qua hệ thống bảng phân loại định lượng (Bảng phân vùng địa chất công trình Hà Nội và TP.HCM của PGS.TS. Đoàn Thế Tường, bảng thông số kỹ thuật tàu điện ngầm thế giới), các biểu đồ phân bố ứng suất và hình vẽ mặt cắt cấu tạo hầm thực tế (hầm Kim Liên, hầm Thủ Thiêm, metro Paris, metro Moskva).
  • Bài tập và đánh giá năng lực:
    • Xác định kích thước hình học, tải trọng đất đá và lựa chọn loại vỏ hầm dựa trên các trường hợp điều kiện địa tầng cụ thể (đới đứt gãy, tầng đá nghiêng, lớp phủ sườn núi).
    • Tính toán chỉ tiêu kinh tế - xã hội của dự án ngầm theo công thức (1.1) và thời hạn hoàn vốn theo công thức (1.2).
    • Lập đề cương khảo sát địa chất công trình ngầm: bố trí tọa độ và chiều sâu hố khoan theo quy tắc $1{,}5H + 5\text{ m}$ đối với tường trong đất hoặc ngàm sâu $8-10\text{ m}$ dưới đáy hầm.
  • Hướng dẫn tự học và nghiên cứu: Sinh viên tự tra cứu hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, đối chiếu giữa kết quả thí nghiệm trong phòng với quan trắc biến dạng thực tế ngoài hiện trường để nắm bắt sai số địa kỹ thuật.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp dữ liệu quy hoạch giao thông ngầm Việt Nam: Giáo trình cập nhật quy hoạch chi tiết các tuyến đường sắt đô thị (metro) tại Hà Nội (Tuyến 1 đến Tuyến 5) và TP. Hồ Chí Minh (Tuyến 1 đến Tuyến 6), làm rõ phương án kết nối tuyến hầm ngầm cơ giới như hầm Kim Liên (Hà Nội) và hầm dìm Thủ Thiêm (TP.HCM).
  • Hệ thống hóa phân vùng địa chất chuyên biệt cho công trình ngầm: Sử dụng trực tiếp kết quả nghiên cứu phân chia địa tầng khu vực Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh của PGS.TS. Đoàn Thế Tường, chỉ ra các vùng địa chất có nguy cơ sụt lở, bùng nền (tầng bùn Cần Giờ, than bùn Holoxen) và các vùng đất sét Pleixtoxen thuận lợi cho xây dựng ngầm.
  • Cập nhật công nghệ khảo sát hiện đại: Đưa vào tài liệu các phương pháp tiên tiến như khoan ngang tầm xa ($45-120\text{ mm}$ sâu $500\text{ m}$), radar xuyên đất (GPR dải tần $1-1000\text{ MHz}$), thiết bị camera quang học và kỹ thuật đo Karôta lỗ khoan, giúp sinh viên tiếp cận các kỹ thuật khảo sát ngoài các phương pháp khoan đứng truyền thống.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đại học: Giáo trình sử dụng trực tiếp cho sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 chuyên ngành Xây dựng công trình ngầm đô thị, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Kỹ thuật công trình xây dựng (ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp) và Hạ tầng kỹ thuật đô thị.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh: Tài liệu nền tảng phục vụ các môn học chuyên đề về Tương tác kết cấu - nền đất, Cơ học đá ngầm, Quy hoạch không gian ngầm và Công nghệ thi công hầm đô thị.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Làm khung tài liệu tham khảo để biên soạn bài giảng môn học Cơ sở công trình ngầm, Địa kỹ thuật công trình ngầm và hướng dẫn đồ án tốt nghiệp kỹ sư/thạc sĩ.
  • Kỹ sư thực hành: Tài liệu tham khảo kỹ thuật cho kỹ sư thiết kế, kỹ sư khảo sát địa chất và cán bộ quản lý dự án trong công tác lập biện pháp thi công, nhiệm vụ quan trắc biến dạng và khảo sát hiện trường công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với học phần nào trong chương trình đào tạo?

Tài liệu phục vụ trực tiếp cho học phần Cơ sở thiết kế và thi công công trình ngầm đô thị, cùng các học phần liên quan như Quy hoạch không gian ngầm, Khảo sát địa kỹ thuật công trình ngầm và Kết cấu công trình ngầm.

2. Sinh viên cần hoàn thành các môn học tiên quyết nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần trang bị kiến thức từ các môn học tiên quyết: Cơ học đất, Địa chất công trình, Cơ học kết cấu, Sức bền vật liệu, Vật liệu xây dựng và Nhập môn Quy hoạch đô thị.

3. Giáo trình phân chia ranh giới chiều sâu công trình ngầm đặt nông và đặt sâu như thế nào?

Theo phân loại tại Chương I, công trình ngầm đô thị được phân chia theo độ sâu:

  • Loại đặt nông: $H < 10 - 12\text{ m}$.
  • Loại đặt sâu: $H > 10 - 12\text{ m}$. Trong quy hoạch không gian ngầm theo phương đứng, tầng nông thường được tính từ mặt đất đến độ sâu $< 20\text{ m}$ và tầng sâu được tính ở độ sâu $> 20\text{ m}$.

4. Những phương pháp địa vật lý nào được giáo trình giới thiệu cho công tác khảo sát công trình ngầm?

Các phương pháp địa vật lý bao gồm: phương pháp địa chấn (sóng âm phản xạ và khúc xạ), đo điện trở suất (12 bậc điện trở), radar xuyên đất (GPR dải tần $1-1000\text{ MHz}$), đo từ lực và trọng lực kế, cùng các phương pháp thăm dò trong lòng lỗ khoan (kính ngắm quang học, camera truyền hình, ống nút cao su lấy dấu vết nứt và karôta lỗ khoan).

5. Chiều sâu lỗ khoan khảo sát công trình ngầm được xác định theo nguyên tắc nào?

Chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào chiều sâu vùng chịu nén dưới móng và biện pháp thi công. Thông thường, lỗ khoan cần sâu hơn đáy công trình ngầm từ $8 - 10\text{ m}$ hoặc ngàm sâu vào lớp bền nước $2 - 3\text{ m}$. Đối với công trình thi công theo phương pháp tường trong đất, chiều sâu lỗ khoan được quy định theo công thức $1{,}5H + 5\text{ m}$ (với $H$ là chiều sâu hố đào).

Kết luận

Giáo trình Cơ sở thiết kế và thi công công trình ngầm đô thị của tác giả Nguyễn Đức Nguồn cung cấp hệ thống lý luận hoàn chỉnh về phân loại, quy hoạch không gian ngầm, kết cấu vỏ hầm và quy trình khảo sát địa chất công trình ngầm. Lộ trình học tập đề xuất bắt đầu từ việc nắm vững phân loại và hình học công trình ngầm, làm chủ các nguyên tắc tương tác cơ học đất nền – kết cấu, và vận dụng vào phân tích số liệu địa kỹ thuật thực tế tại các đô thị. Người học nên kết hợp nghiên cứu cùng các tiêu chuẩn thiết kế hầm hiện hành, tài liệu cơ học đất đá chuyên sâu và các báo cáo khảo sát thực tế tại các dự án metro đô thị.