Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Hồ Chí Minh, trung tâm kinh tế lớn của miền Nam Việt Nam, đang đối mặt với áp lực gia tăng dân số và tình trạng kẹt xe nghiêm trọng. Với dân số trên 6 triệu người và mật độ dân cư cao, hệ thống giao thông hiện tại không đáp ứng được nhu cầu đi lại, trong đó vận tải công cộng chỉ chiếm khoảng 3,2% tổng nhu cầu. Để giải quyết vấn đề này, việc phát triển mạng lưới đường sắt đô thị (Metro) đi ngầm được xem là giải pháp trọng điểm. Tuy nhiên, thi công các tuyến đường hầm Metro trong điều kiện địa chất yếu, mật độ xây dựng dày đặc và mặt bằng thi công hạn chế tại thành phố là thách thức lớn.

Luận văn thạc sĩ “Ứng dụng công nghệ thi công hầm TBM trong xây dựng đường hầm Metro ở Thành phố Hồ Chí Minh” được thực hiện trong giai đoạn 2011-2012 nhằm nghiên cứu và đề xuất phương pháp thi công hầm Metro phù hợp với điều kiện đặc thù của thành phố. Mục tiêu chính là lựa chọn công nghệ thi công tối ưu, tính toán chiều sâu đặt hầm hợp lý, đồng thời đánh giá ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Nghiên cứu tập trung vào các tuyến Metro số 1 (Bến Thành – Suối Tiên) và số 2 (Bến Thành – Tham Lương), với số liệu địa chất, thủy văn được thu thập và mô phỏng kỹ lưỡng.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc áp dụng công nghệ TBM (Tunnel Boring Machine) trong thi công hầm Metro, góp phần nâng cao hiệu quả thi công, giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường và hạ tầng hiện hữu, đồng thời đảm bảo tiến độ và an toàn công trình trong bối cảnh đô thị phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật xây dựng hầm ngầm, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết cơ học đất và kết cấu hầm: Phân tích ứng suất, chuyển vị và nội lực trong kết cấu hầm khi thi công bằng TBM, dựa trên mô hình tính toán JSCE 1996 và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).
  • Mô hình cân bằng áp lực đất: Áp dụng nguyên lý khiên cân bằng áp lực đất để đảm bảo ổn định mặt gương đào, giảm thiểu biến dạng và lún sụt bề mặt.
  • Khái niệm công nghệ thi công hầm TBM: Bao gồm cấu tạo khiên đào, tổ hợp máy TBM, cơ cấu đẩy tiến, máy lắp ghép tấm ống vỏ hầm và thiết bị đảm bảo độ tròn của ống vỏ hầm.

Các khái niệm chính gồm: khiên đào TBM, áp lực cân bằng bề mặt gương đào, biến dạng lún bề mặt, mô hình tính toán 3D bằng Plaxis 3D Tunnel, và các đặc tính địa chất công trình lớp đất mềm yếu tại TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực tế thu thập từ các dự án Metro số 1 và số 2 tại TP. Hồ Chí Minh, bao gồm:

  • Số liệu địa chất: Đặc tính các lớp đất sét mềm, cát, á sét với độ sâu và độ dày cụ thể.
  • Số liệu thủy văn: Mực nước, lưu lượng, tốc độ dòng chảy tại trạm Phú An và các trạm khí tượng.
  • Số liệu khí hậu: Nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời và gió bão.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa kết cấu hầm và tính toán áp lực, chuyển vị, nội lực bằng phần mềm Plaxis 3D Tunnel theo tiêu chuẩn JSCE 1996. Cỡ mẫu nghiên cứu là các đoạn tuyến hầm Metro đi qua khu vực nội đô và ven đô, được chọn dựa trên tính đại diện của điều kiện địa chất và thủy văn. Phương pháp chọn mẫu là chọn các đoạn tuyến có số liệu khảo sát đầy đủ và độ tin cậy cao.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 3/2011 đến 11/2012, bao gồm các bước: thu thập số liệu, xây dựng mô hình tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp thi công.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chiều sâu đặt hầm hợp lý: Kết quả tính toán cho thấy chiều sâu đặt hầm Metro tối ưu nằm trong khoảng 15-25m dưới mặt đất, giúp giảm thiểu chuyển vị bề mặt và nội lực trong kết cấu hầm. Độ sâu này phù hợp với đặc điểm địa chất lớp đất sét mềm và cát chặt tại TP. Hồ Chí Minh.

  2. Ổn định mặt gương đào: Áp lực cân bằng bề mặt gương đào khi thi công bằng TBM được thiết lập chính xác, giúp hạn chế biến dạng và lún sụt bề mặt dưới 10mm, đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận. So với các phương pháp thi công truyền thống, TBM giảm biến dạng bề mặt khoảng 30-40%.

  3. Hiệu quả thi công bằng TBM: Thi công bằng máy đào TBM tiết kiệm thời gian hơn 20-30% so với phương pháp đào thủ công hoặc đào lộ thiên, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến giao thông và môi trường đô thị. Tốc độ thi công tốt nhất đạt 22m/ngày, với tuần thi công liên tục lên đến 118m.

  4. Ảnh hưởng đến công trình lân cận: Việc lựa chọn công nghệ TBM và chiều sâu đặt hầm hợp lý giúp giảm thiểu chuyển vị và ứng suất lên các công trình xung quanh, hạn chế nguy cơ nứt, lún và hư hại kết cấu. Kết quả mô phỏng cho thấy chuyển vị bề mặt giảm 25% so với thi công bằng phương pháp đào truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do công nghệ TBM sử dụng cơ cấu cân bằng áp lực đất và dung dịch vữa, giúp ổn định mặt gương đào trong điều kiện địa chất yếu và mực nước ngầm cao đặc trưng của TP. Hồ Chí Minh. So với các nghiên cứu trước đây về thi công hầm Metro tại các đô thị lớn như Tokyo hay London, kết quả nghiên cứu phù hợp và có tính ứng dụng cao trong điều kiện Việt Nam.

Việc áp dụng mô hình tính toán 3D bằng Plaxis 3D Tunnel cho phép đánh giá chính xác các biến dạng và nội lực trong kết cấu hầm, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị theo chiều sâu đặt hầm và bảng tổng hợp nội lực hầm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của công nghệ TBM.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho máy TBM lớn, nhưng lợi ích về mặt tiến độ thi công, an toàn và giảm thiểu ảnh hưởng môi trường là rất đáng kể, đặc biệt trong điều kiện đô thị đông dân cư và địa chất phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ TBM cho các tuyến Metro đặt sâu: Khuyến nghị sử dụng máy đào TBM với cơ cấu cân bằng áp lực đất cho các tuyến Metro có chiều sâu từ 15m trở lên nhằm đảm bảo ổn định kết cấu và giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình lân cận. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thi công chính của dự án.

  2. Lựa chọn chiều sâu đặt hầm phù hợp: Đề xuất thiết kế chiều sâu đặt hầm trong khoảng 15-25m, căn cứ vào đặc điểm địa chất và thủy văn khu vực để tối ưu hóa hiệu quả thi công và an toàn công trình. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật.

  3. Tăng cường khảo sát địa chất và thủy văn chi tiết: Khuyến cáo thực hiện các khảo sát bổ sung, cập nhật số liệu địa chất, thủy văn trước khi thi công để điều chỉnh thiết kế và phương án thi công phù hợp với điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện trước giai đoạn thi công.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành máy TBM: Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư và công nhân vận hành máy TBM nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả, an toàn và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công. Chủ thể là các nhà thầu và đơn vị đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý dự án giao thông đô thị: Giúp hiểu rõ về công nghệ thi công hầm TBM, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và quản lý dự án hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

  2. Các kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết để thiết kế kết cấu hầm phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù của TP. Hồ Chí Minh.

  3. Các nhà thầu thi công hầm và công trình ngầm: Hướng dẫn lựa chọn công nghệ thi công, tổ chức thi công và vận hành máy TBM hiệu quả, đảm bảo tiến độ và an toàn công trình.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành cầu hầm, xây dựng dân dụng: Là tài liệu tham khảo khoa học, cập nhật các công nghệ thi công hầm hiện đại và phương pháp phân tích kết cấu hầm trong điều kiện địa chất phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ TBM là gì và ưu điểm chính của nó?
    Công nghệ TBM là phương pháp thi công hầm sử dụng máy khoan hầm toàn tiết diện với cơ cấu cân bằng áp lực đất. Ưu điểm gồm giảm thiểu biến dạng đất, tăng tốc độ thi công, đảm bảo an toàn và giảm ảnh hưởng đến môi trường đô thị.

  2. Tại sao cần lựa chọn chiều sâu đặt hầm hợp lý?
    Chiều sâu đặt hầm ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định kết cấu, chuyển vị bề mặt và ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Lựa chọn chiều sâu phù hợp giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí thi công.

  3. Phương pháp tính toán nào được sử dụng trong luận văn?
    Luận văn sử dụng mô hình tính toán phần tử hữu hạn 3D theo tiêu chuẩn JSCE 1996, áp dụng phần mềm Plaxis 3D Tunnel để phân tích chuyển vị và nội lực kết cấu hầm.

  4. Điều kiện địa chất đặc trưng của TP. Hồ Chí Minh ảnh hưởng thế nào đến thi công hầm?
    Địa chất chủ yếu là lớp đất sét mềm, cát chặt với mực nước ngầm cao, gây khó khăn trong ổn định mặt gương đào và thi công. Công nghệ TBM với cơ cấu cân bằng áp lực đất giúp khắc phục các khó khăn này.

  5. Chi phí và thời gian thi công bằng TBM so với phương pháp truyền thống?
    Mặc dù chi phí đầu tư máy TBM cao, nhưng thời gian thi công được rút ngắn khoảng 20-30%, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến giao thông và môi trường, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể cao hơn.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định được chiều sâu đặt hầm Metro tối ưu trong khoảng 15-25m phù hợp với điều kiện địa chất TP. Hồ Chí Minh.
  • Công nghệ thi công hầm TBM với cơ cấu cân bằng áp lực đất giúp giảm biến dạng bề mặt và nội lực kết cấu, đảm bảo an toàn công trình và môi trường xung quanh.
  • Phương pháp tính toán 3D bằng Plaxis 3D Tunnel cung cấp công cụ phân tích chính xác, hỗ trợ thiết kế và thi công hiệu quả.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả thi công hầm Metro trong đô thị phức tạp.
  • Các bước tiếp theo bao gồm khảo sát bổ sung, đào tạo vận hành máy TBM và áp dụng thực tiễn trong các dự án Metro đang triển khai.

Để góp phần phát triển hạ tầng giao thông đô thị bền vững, các nhà quản lý, kỹ sư và nhà thầu nên nghiên cứu và áp dụng các kết quả của luận văn này trong các dự án xây dựng đường hầm Metro tại TP. Hồ Chí Minh và các đô thị lớn khác.