Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế thị trường hiện nay, việc xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội. Theo ước tính, nhu cầu vận chuyển và đi lại ngày càng tăng cao, đặc biệt là tại các vùng núi, đèo, nơi địa hình phức tạp và nền đất yếu gây nhiều khó khăn cho thi công. Công trình ngầm và hầm đường bộ trở thành giải pháp tối ưu nhằm khắc phục các chướng ngại vật tự nhiên, giảm thiểu ùn tắc giao thông và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, việc thi công các công trình này đòi hỏi công nghệ cao và kiểm soát chặt chẽ các rủi ro liên quan đến biến dạng và ứng suất của khối đá xung quanh.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown trong phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá xung quanh hầm đường bộ Đèo Cả, Quốc lộ 1A, tỉnh Phú Yên. Mục tiêu cụ thể là đánh giá sự phân bố ứng suất và biến dạng chuyển vị trong môi trường đá, từ đó đề xuất các giải pháp thi công và bảo vệ công trình hiệu quả. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên dữ liệu địa kỹ thuật thu thập tại hiện trường, kết hợp mô phỏng bằng phần mềm ROCLAB và PHASE2, trong khoảng thời gian thi công và khảo sát thực tế tại khu vực Đèo Cả.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác trong dự báo biến dạng và ứng suất, góp phần đảm bảo an toàn, ổn định công trình, đồng thời tối ưu chi phí và thời gian thi công. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư trong việc lựa chọn phương pháp thi công phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt tại các vùng núi cao và nền đất yếu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown: Đây là tiêu chuẩn phi tuyến được phát triển qua nhiều giai đoạn từ năm 1980 đến 2001, nhằm mô tả chính xác đặc tính cơ học của khối đá nứt nẻ và bị xáo trộn. Tiêu chuẩn này liên kết các thông số địa chất như chỉ số bền địa chất GSI, hệ số xáo trộn D, cường độ chịu nén đơn trục của đá nguyên trạng (\sigma_i), và các hằng số vật liệu (m, s, a). Tiêu chuẩn Hoek-Brown cho phép xác định đường bao phá hoại và các thông số tương đương của tiêu chuẩn Mohr-Coulomb như lực dính (c) và góc ma sát (\phi), phục vụ cho các phần mềm phân tích cơ học đất đá.

  2. Mô hình biến dạng đàn hồi-dẻo của khối đá: Mô hình này mô tả phản ứng cơ học của khối đá xung quanh công trình ngầm khi chịu tác động của khai đào, bao gồm các quá trình biến dạng, dịch chuyển và phá hủy cơ học. Mô hình được áp dụng trong phần mềm PHASE2 để phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình thi công.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: ứng suất nguyên sinh (\sigma_z, \sigma_x), hệ số áp lực ngang (K), chỉ số bền địa chất GSI, hệ số xáo trộn D, và các dạng phá hủy cơ bản như phá hủy tách, phá hủy cắt, và mất ổn định do thay đổi cấu trúc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu địa kỹ thuật thu thập tại dự án hầm đường bộ Đèo Cả, tỉnh Phú Yên, bao gồm đặc điểm địa chất, thông số cơ học của khối đá granit nứt nẻ và rắn chắc ở các độ sâu 34,7m và 220m. Cỡ mẫu khảo sát gồm các lỗ khoan và số liệu quan trắc thực tế tại các vị trí km4+150 và km4+350.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Ứng dụng tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown để xác định các thông số cơ học của khối đá xung quanh hầm, sử dụng phần mềm ROCLAB để tính toán các thông số đầu vào.
  • Mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng bằng phần mềm PHASE2, dựa trên mô hình đàn hồi-dẻo, phân tích các giai đoạn thi công hầm như trạng thái nguyên sinh, khai đào, và thi công vỏ chống.
  • Phân tích so sánh trạng thái ứng suất chính lớn nhất (\sigma_1), ứng suất chính nhỏ nhất (\sigma_3), chuyển vị tổng và trượt tối đa tại các vị trí khảo sát.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài trong suốt quá trình thi công và khảo sát thực địa, đảm bảo tính liên tục và cập nhật dữ liệu chính xác.

Phương pháp chọn mẫu và phân tích được lựa chọn nhằm đảm bảo tính đại diện cho điều kiện địa chất phức tạp của khu vực, đồng thời phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố ứng suất chính lớn nhất (\sigma_1) và nhỏ nhất (\sigma_3) tại các độ sâu khác nhau: Ứng suất chính lớn nhất tại độ sâu 34,7m trong lớp đá granit nứt nẻ đạt giá trị cao hơn đáng kể so với độ sâu 220m trong đá granit rắn chắc, với sự chênh lệch khoảng 15-20%. Ứng suất chính nhỏ nhất cũng có xu hướng giảm dần theo khoảng cách từ gương đào, thể hiện sự tập trung ứng suất tại vùng gần hầm.

  2. Chuyển vị tổng và trượt tối đa: Tại độ sâu 34,7m, chuyển vị tổng đo được lên đến khoảng 1-2% đường kính hầm sau 1,5 năm, trong khi tại độ sâu 220m, chuyển vị này thấp hơn khoảng 30%. Trượt tối đa tại sườn hầm cũng giảm khoảng 25% khi tăng độ sâu đào, cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của điều kiện địa chất và áp lực địa tầng.

  3. Ảnh hưởng của kích thước và khoảng cách giữa các hầm: Khi đào hai hầm cách nhau 17,8m, ứng suất và chuyển vị tại vùng giữa hai hầm tăng lên khoảng 10-15% so với hầm đơn, làm tăng nguy cơ mất ổn định cấu trúc. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế khoảng cách hợp lý giữa các hầm để đảm bảo an toàn.

  4. Hiệu quả của tiêu chuẩn Hoek-Brown trong mô phỏng: Việc sử dụng tiêu chuẩn Hoek-Brown kết hợp phần mềm ROCLAB và PHASE2 cho phép mô phỏng chính xác các trạng thái ứng suất và biến dạng, phù hợp với số liệu quan trắc thực tế. Đường bao phá hoại phi tuyến của Hoek-Brown thể hiện rõ sự khác biệt về cường độ chịu cắt và lực dính theo các điều kiện địa chất khác nhau.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên chủ yếu do đặc điểm địa chất phức tạp của khu vực Đèo Cả, với lớp đá granit nứt nẻ ở độ sâu nông và đá granit rắn chắc ở độ sâu lớn hơn. Ứng suất nguyên sinh và hệ số áp lực ngang (K) thay đổi theo độ sâu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố ứng suất và biến dạng quanh hầm.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của độ sâu và cấu trúc đá đến ổn định công trình ngầm. Việc mô phỏng bằng tiêu chuẩn Hoek-Brown cho thấy ưu điểm vượt trội trong việc dự báo các vùng phá hủy và biến dạng không đàn hồi, so với các phương pháp truyền thống như Mohr-Coulomb.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất theo khoảng cách từ gương đào, biểu đồ chuyển vị tổng theo thời gian, và bảng so sánh các thông số cơ học tại các vị trí khảo sát. Các biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng sự thay đổi trạng thái cơ học của khối đá trong quá trình thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công: Áp dụng hệ thống quan trắc tự động để theo dõi biến dạng và ứng suất quanh hầm, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định. Mục tiêu giảm thiểu rủi ro sập lở, đảm bảo an toàn thi công trong vòng 6 tháng đầu thi công. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và nhà thầu thi công.

  2. Điều chỉnh thiết kế khoảng cách và kích thước hầm: Dựa trên kết quả phân tích, thiết kế khoảng cách tối thiểu giữa các hầm không nhỏ hơn 20m để giảm thiểu tương tác ứng suất và biến dạng. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế và phê duyệt dự án. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật.

  3. Sử dụng phương pháp thi công NATM kết hợp gia cố phun bê tông và neo đá: Phương pháp này tận dụng khả năng tự chịu tải của khối đá, giảm chi phí và tăng độ ổn định công trình. Thời gian áp dụng: trong toàn bộ quá trình thi công hầm. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho đội ngũ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về ứng dụng tiêu chuẩn Hoek-Brown và phần mềm phân tích cơ học đất đá cho cán bộ kỹ thuật. Mục tiêu nâng cao chất lượng phân tích và thiết kế trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và hầm đường bộ: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ phân tích ứng suất biến dạng, giúp thiết kế công trình an toàn và hiệu quả hơn.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát dự án: Tham khảo các phương pháp thi công và giám sát biến dạng ứng suất, từ đó áp dụng các biện pháp thi công phù hợp, giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật và cơ học đất đá: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các phương pháp đánh giá ổn định công trình ngầm.

  4. Quản lý dự án và nhà đầu tư: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định và chi phí thi công, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và quản lý dự án hiệu quả, đảm bảo tiến độ và an toàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiêu chuẩn Hoek-Brown là gì và tại sao được sử dụng trong phân tích hầm?
    Tiêu chuẩn Hoek-Brown là một tiêu chuẩn phá hoại phi tuyến mô tả đặc tính cơ học của khối đá nứt nẻ và bị xáo trộn. Nó được sử dụng vì khả năng mô phỏng chính xác đường bao phá hoại và các thông số cơ học phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, giúp dự báo ổn định công trình ngầm hiệu quả.

  2. Phần mềm ROCLAB và PHASE2 có vai trò gì trong nghiên cứu?
    ROCLAB dùng để xác định các thông số cơ học của khối đá dựa trên tiêu chuẩn Hoek-Brown, còn PHASE2 mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng trong quá trình thi công hầm. Sự kết hợp này giúp phân tích chính xác và thực tiễn hơn.

  3. Ảnh hưởng của độ sâu đào hầm đến ứng suất và biến dạng như thế nào?
    Độ sâu tăng làm tăng ứng suất nguyên sinh và thay đổi hệ số áp lực ngang, dẫn đến sự phân bố ứng suất và biến dạng khác nhau. Đá rắn chắc ở độ sâu lớn có xu hướng ổn định hơn so với đá nứt nẻ ở độ sâu nông.

  4. Tại sao cần điều chỉnh khoảng cách giữa các hầm?
    Khoảng cách nhỏ giữa các hầm làm tăng tương tác ứng suất và biến dạng, gây nguy cơ mất ổn định cấu trúc. Điều chỉnh khoảng cách giúp giảm thiểu tác động này, đảm bảo an toàn công trình.

  5. Phương pháp NATM có ưu điểm gì trong thi công hầm?
    NATM tận dụng khả năng tự chịu tải của khối đá, kết hợp phun bê tông và neo đá để gia cố, thích hợp với nhiều điều kiện địa chất, giảm chi phí và tăng hiệu quả thi công so với các phương pháp truyền thống.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã ứng dụng thành công tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown kết hợp phần mềm ROCLAB và PHASE2 để phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng khối đá xung quanh hầm Đèo Cả, tỉnh Phú Yên.
  • Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về ứng suất và biến dạng tại các độ sâu khác nhau, ảnh hưởng bởi đặc điểm địa chất và kích thước công trình.
  • Phân tích tương tác giữa các hầm cho thấy cần thiết phải thiết kế khoảng cách hợp lý để đảm bảo ổn định công trình.
  • Đề xuất các giải pháp thi công và giám sát phù hợp nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả dự án.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thi công thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các công trình ngầm khác trong điều kiện địa chất tương tự.

Hành động ngay: Các nhà quản lý dự án và kỹ sư thiết kế nên áp dụng tiêu chuẩn Hoek-Brown và các công cụ mô phỏng hiện đại để nâng cao chất lượng và an toàn công trình ngầm.