Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật địa chất: Nghiên cứu đặc điểm địa kỹ thuật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh phục vụ phát triển giao thông ngầm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu đặc điểm địa kỹ thuật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh phục vụ phát triển giao thông ngầm" là đánh giá đặc điểm và phân khu địa kỹ thuật, đồng thời tính toán dự báo các vấn đề địa kỹ thuật phát sinh khi xây dựng CTGTN khu vực TP.HCM.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật địa chất: Nghiên cứu đặc điểm địa kỹ thuật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh phục vụ phát triển giao thông ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VÕ NHẬT LUÂN NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM ĐỊA KỸ THUẬT KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG NGẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT HÀ NỘI - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VÕ NHẬT LUÂN NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM ĐỊA KỸ THUẬT KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG NGẦM Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 9520501 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS ĐỖ MINH TOÀN 2. PGS.TS NGUYỄN THỊ NỤ HÀ NỘI - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các thông tin, số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng, cụ thể, các trích dẫn theo đúng quy định. Kết quả nghiên cứu trong luận án là khách quan, trung thực, chưa từng có ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Võ Nhật Luân
ii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................v DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................3 4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................3 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................3 6. Luận điểm bảo vệ ..................................................................................................4 7. Các đóng góp khoa học mới của luận án ............................................................5 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................5 9. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài ...............................................................................5 10. Cấu trúc luận án ..................................................................................................6 11. Lời cảm ơn ...........................................................................................................6 Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM ĐÔ THỊ .....................................8 1.1. Tổng quan về địa kỹ thuật và công trình giao thông ngầm đô thị ................8 1.1.1. Tổng quan về địa kỹ thuật .................................................................................8 1.1.2. Tổng quan công trình giao thông ngầm đô thị ................................................12 1.1.3. Các phương pháp thi công xây dựng công trình giao thông ngầm đô thị .......13 1.1.4. Các vấn đề địa kỹ thuật phát sinh khi thi công xây dựng công trình giao thông ngầm đô thị ................................................................................................................17 1.2. Tình hình nghiên cứu địa kỹ thuật phục vụ xây dựng công trình giao thông ngầm đô thị ..............................................................................................................28 1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới ...........................................................................28
iii 1.2.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam ..........................................................................34 Kết luận chương 1 .....................................................................................................40 Chương 2: ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG ĐỊA KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ........................................................................................................................41 2.1. Đặc điểm môi trường địa chất Thành phố Hồ Chí Minh .............................41 2.1.1. Đặc điểm địa tầng, địa chất Đệ tứ ...................................................................41 2.1.2. Đặc điểm tính chất xây dựng của đất đá .........................................................45 2.1.3. Đặc điểm hiện tượng địa chất động lực công trình .........................................55 2.1.4. Đặc điểm địa hình, địa mạo.............................................................................56 2.1.5. Đặc điểm thủy văn, hải văn và địa chất thủy văn ...........................................58 2.1.6. Đặc điểm khí độc hại.......................................................................................61 2.2. Đặc điểm hệ thống kỹ thuật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh ..................61 2.2.1. Khái quát chung về hệ thống kỹ thuật của Thành phố Hồ Chí Minh .............61 2.2.2. Đánh giá đặc điểm và phân cấp hệ thống kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh .66 2.3. Phân khu địa kỹ thuật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh phục vụ xây dựng công trình giao thông ngầm ....................................................................................68 2.3.1. Mục đích và ý nghĩa phân khu địa kỹ thuật ....................................................68 2.3.2. Nguyên tắc phân khu địa kỹ thuật ...................................................................68 2.3.3. Tiêu chí phân khu địa kỹ thuật ........................................................................69 2.3.4. Phương pháp thành lập sơ đồ phân khu địa kỹ thuật ......................................69 2.3.5. Kết quả phân khu địa kỹ thuật ........................................................................73 Kết luận chương 2 .....................................................................................................85 Chương 3: DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH KHI THI CÔNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM ...86 3.1. Khái quát đặc điểm quy mô và công nghệ thi công các công trình giao thông ngầm tại Thành phố .....................................................................................86 3.1.1. Về đặc điểm quy mô công trình giao thông ngầm ..........................................86 3.1.2. Về đặc điểm công nghệ thi công các công trình giao thông ngầm .................91 3.2. Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật khi thi công công trình giao thông ngầm Thành phố Hồ Chí Minh ........................................................................................93
iv 3.2.1. Phương pháp tính toán và lựa chọn phần mềm tính toán ................................93 3.2.2. Phân tích lựa chọn các mặt cắt địa kỹ thuật để tính toán ................................95 3.2.3. Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật khi thi công bằng phương pháp đào mở .......97 3.2.4. Phương pháp dự báo lún bề mặt khi thi công hầm bằng công nghệ TBM ...109 3.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến lún bề mặt khi thi công đường hầm bằng công nghệ TBM ............................................................................................114 3.3.1. Ảnh hưởng của áp lực gương ........................................................................114 3.3.2. Phân tích ảnh hưởng dạng kết cấu móng công trình đến độ lún bề mặt .......116 3.3.3. Ảnh hưởng của đường kính hầm ...................................................................119 3.3.4. Ảnh hưởng của chiều sâu đặt hầm đến độ lún bề mặt ..................................124 3.4. Đề xuất các giải pháp ổn định khi thi công xây dựng công trình giao thông ngầm Thành phố Hồ Chí Minh ............................................................................126 3.4.1. Đối với công trình giao thông ngầm thi công bằng phương pháp đào mở ...126 3.4.2. Đối với công trình giao thông ngầm thi công bằng phương pháp đào kín ...130 Kết luận chương 3 ...................................................................................................130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................132 1. Kết luận ..............................................................................................................132 2. Kiến nghị ............................................................................................................133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...............................................................................................................134 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................135 PHỤ LỤC
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải thích a1-2 cm2/kG Hệ số nén lún Lực dính kết, lực dính kết hữu hiệu, lực dính kết c, c‟, cu , ccu kPa không thoát nước theo sơ đồ UU, CU Cc Chỉ số nén Cr Chỉ số nở CDM Cọc xi măng đất CU Cố kết - không thoát nước CSHT Cơ sở hạ tầng CTN Công trình ngầm CTGTN Công trình giao thong ngầm cv m2/năm Hệ số cố kết theo phương thẳng đứng ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long ĐCCT Địa chất công trình ĐCTV Địa chất thủy văn E kPa Mô đun biến dạng e; eo Hệ số rỗng; Hệ số rỗng tự nhiên Eđh kPa Mô đun đàn hồi EPB Earth pressure balance (Áp lực đất) FEM Mô hình phần tử hữu hạn ĐKT Địa kỹ thuật ĐKTXD Địa kỹ thuật xây dựng FOS Hệ số ổn định công trình GS Giáo sư HRM Phương pháp phản ứng Hyperstatic Ip Chỉ số dẻo Ir Chỉ số độ cứng Is Độ sệt K cm/ng.đ Hệ số thấm KGN Không gian ngầm KHCN Khoa học công nghệ HTKT Hệ thống kỹ thuật MCN Mặt cắt ngang MNN Mực nước ngầm MTĐC Môi trường địa chất MTĐKT Môi trường địa kỹ thuật MTXQ Môi trường xung quanh New Australian Tunnelling Method - Phương NATM pháp đào hầm mới của Áo nnk Những người khác NXB Nhà Xuất Bản
vi PGS Phó giáo sư PTHH Phần tử hữu hạn qc kG/cm2 - Sức kháng đầu mũi RQD Rock Quality Designation - Chỉ số chất lượng đá SPT Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn TBM Tunnel Boring Machine TP Thành phố TP.HCM Thành phố Hồ Chí Minh TS Tiến sĩ TSKH Tiến sĩ khoa học W % Độ ẩm tự nhiên WL % Giới hạn chảy Wp % Giới hạn dẻo γw g/cm3 Khối lượng thể tích tự nhiên γc g/cm3 Khối lượng thể tích khô γs g/cm3 Khối lượng riêng
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các phương pháp thi công CTGTN khu vực đô thị .................................17 Bảng 1.2. Chuyển vị cho phép của tường chắn đất theo DG/TJ08-61-2010 ............19 Bảng 1.3. Chuyển vị cho phép từng cấp bảo vệ công trình theo DG/TJ08-61-2010 19 Bảng 1.4. Tổng hợp giá trị chuyển vị cho phép ........................................................19 Bảng 1.5. Các vấn đề ĐKT phát sinh trong quá trình đào hầm đô thị ......................27 Bảng 1.6. Phân loại đất phục vụ xây dựng CTGTN theo Terzaghi ..........................30 Bảng 1.7. Độ ổn định của CTN, cho đất dính ...........................................................30 Bảng 1.8. Độ ổn định của CTN, cho đất cát và dăm sạn theo Terzaghi 1977 ..........30 Bảng 1.9. Phân loại đá của Terzaghi 1946 ................................................................31 Bảng 1.10. Phân loại đá theo RQD ...........................................................................32 Bảng 2.1. Địa tầng Đệ tứ khu vực Thành phố Hồ Chí Minh ....................................42 Bảng 2.2. Thống kê tài liệu thu thập bổ sung ...........................................................45 Bảng 2.3. Thành phần hạt và đặc trưng cơ lý của các kiểu thạch học thuộc các phức hệ thạch học khác nhau .............................................................................................53 Bảng 2.4. Tương quan mực nước giữa điểm đo trên Kênh Nhiêu Lộc, Kênh Tẻ với trạm Nhà bè, Phú An (sông Sài Gòn) ........................................................................59 Bảng 2.5. Các chỉ tiêu sử dụng đất tại TP.HCM từ 2018-2021 ................................62 Bảng 2.6. Số lượng các tòa nhà cao tầng khu vực nội đô TP.HCM .........................63 Bảng 2.7. Mạng lưới đường bộ trên địa bàn TP.HCM .............................................63 Bảng 2.8. Hệ thống cầu đường bộ trên địa bàn TP.HCM .........................................65 Bảng 2.9. Một số hầm đường bộ tại TP.HCM ..........................................................66 Bảng 2.10. Diện tích giao thông tĩnh trên địa bàn Thành phố 2021 .........................66 Bảng 2.11. Ký hiệu các đơn vị phân khu ĐKT .........................................................72 Bảng 2.12. Ma trận tương tác giữa MTĐC với HTKT .............................................75 Bảng 2.13. Đặc điểm ĐKT các khu, phụ khu và khoảnh phục vụ xây dựng GTN ...76 Bảng 3.1. Các tuyến đường sắt đô thị tại TP.HCM theo quy hoạch ......................87 Bảng 3.2. So sánh ưu và nhược điểm mô hình Hardening Soil và Morh Colomb ...95 Bảng 3.3. Đặc điểm ĐKT tại khoảnh II.A.1 và khoảnh II.B.1 ...............................96 Bảng 3.4. Thông số địa chất đầu vào mô hình Plaxis ...............................................98
viii Bảng 3.5. So sánh hệ số ổn định khi đào mở có mái dốc CTGTN nằm nông ..........99 Bảng 3.6. So sánh các phương án đào hầm mở tại khoảnh II.A.1 ..........................101 Bảng 3.7. Thông số địa chất đầu vào mô hình Plaxis .............................................105 Bảng 3.8. Tổng hợp so sánh các phương án đào hầm nông tại khoảnh II.B.1 .......106 Bảng 3.9. Thông số đất vào mô hình ......................................................................110 Bảng 3.10. Thông số vật liệu bê tông của vỏ hầm và thép của khiên chắn ............111 Bảng 3.11. Ngưỡng chuyển vị cho phép các công trình bề mặt áp dụng cho các dự án metro tại Việt Nam .............................................................................................118 Bảng 3.12. So sánh hiệu quả biện pháp gia cố hố đào ............................................128 Bảng 3.13. Tổng hợp các khuyến nghị cho hầm nằm nông tại khoảnh II.A.1 và khoảnh II.B.1 ...........................................................................................................129 Bảng 3.14. Tổng hợp các khuyến nghị cho hầm nằm sâu tại khoảnh II.A.1 và khoảnh II.B.1 ...........................................................................................................130
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mối quan hệ giữa MTĐKT với MTĐC và MTXQ ...................................10 Hình 1.2. Sơ đồ đào hầm không gia cường vách (a) và có gia cường (b, i) .............14 Hình 1.3. Các loại khiên đào TBM ...........................................................................16 Hình 1.4. Sơ họa chuyển vị của tường vây và đất nền xung quanh hố đào ..............18 Hình 1.5. Phân tích ổn định dòng thấm.....................................................................20 Hình 1.6. Hiện tượng nước cuốn theo cát vào trong hố móng ..................................21 Hình 1.7. Phân tích ổn định hố đào do mất cân bằng moment .................................22 Hình 1.8. Phân tích ổn định hố đào do trượt sâu.......................................................22 Hình 1.9. Phân tích hiện tượng bùng nền do áp lực của tầng nước có áp.................23 Hình 1.10. Rãnh lún trên đường hầm ........................................................................25 Hình 1.11. Sụt lún đường hầm theo chiều thẳng đứng .............................................25 Hình 1.12. Sự dịch chuyển bề mặt theo chiều ngang và sự biến dạng theo chiều ngang cùng với rãnh lún ............................................................................................27 Hình 3.1. Sơ đồ 8 tuyến metro theo quy hoạch tại TP.HCM ....................................86 Hình 3.2. Mặt bằng tuyến metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên ..................................88 Hình 3.3. Trắc dọc tuyến metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên ...................................88 Hình 3.4. MCN điển hình của tuyến metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên .................89 Hình 3.5. Mặt bằng đoạn hạ ngầm tuyến metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên ..........89 Hình 3.6. Trắc dọc đoạn hạ ngầm .............................................................................90 Hình 3.7. MCN điển hình đoạn hạ ngầm ..................................................................90 Hình 3.8. Niên hạn xây dựng của các công trình dọc tuyến metro số 1 ...................91 Hình 3.9. Số tầng của các công trình dọc tuyến metro số 1 ......................................92 Hình 3.10. Các loại móng của các công trình dọc tuyến metro số 1 ........................92 Hình 3.11. Khảo sát loại kết cấu của các công trình dọc tuyến metro số 1 ..............93 Hình 3.12. Phân chia lưới phần tử trong phương pháp PTHH .................................94 Hình 3.13. Mặt cắt địa kỹ thuật điển hình tại khoảnh II.A.1 ...................................96 Hình 3.14. Mặt cắt địa kỹ thuật điển hình tại khoảnh II.B.1 ....................................97 Hình 3.15. Các bước đào hầm .................................................................................105 Hình 3.16. Mặt cắt địa chất tuyến metro số 1 tại Km 1+440 ..................................109 Hình 3.17. Vị trị các mốc đo lún trên mặt bằng ......................................................110
x Hình 3.18. Mô hình mô phỏng đào đường hầm trên Plaxis 3D ..............................111 Hình 3.19. Mô phỏng các bước tiến trong quá trình đào hầm ................................112 Hình 3.20. Phổ biến dạng đất nền xung quanh và lưới biến dạng bề mặt trong quá trình đào hầm đôi ....................................................................................................112 Hình 3.21. Chuyển vị bề mặt khi đào hầm thứ nhất (hầm sâu hơn) .......................113 Hình 3.22. Chuyển vị bề mặt khi đào hầm thứ 2 (hầm nông hơn) ..........................113 Hình 3.23. Nguyên lý cân bằng áp lực của máy TBM ............................................115 Hình 3.24. Sơ đồ khối trượt trước mặt gương .........................................................115 Hình 3.25. Sự phụ thuộc của độ lún bề mặt theo giá trị áp lực gương ...................116 Hình 3.26. Mô hình mô phỏng các loại móng khác nhau .......................................117 Hình 3.27. Lưới biến dạng bề mặt ..........................................................................117 Hình 3.28. Dự báo độ lún của các công trình với các loại móng khác nhau trong vùng ảnh hưởng của tuyến hầm ..............................................................................118 Hình 3.29. Mô hình tại khoảnh II.A.1 .....................................................................119 Hình 3.30. Mô hình các đường kính hầm khác nhau ..............................................120 Hình 3.31. Biểu đồ phụ thuộc của độ lún theo đường kính hầm tại khoảnh II.A.1 121 Hình 3.32. Biểu đồ phụ thuộc của độ lún lớn nhất theo đường kính hầm ..............121 Hình 3.33. Mô hình với các đường kính hầm khác nhau tại khoảnh II.B.1 ............122 Hình 3.34. Biểu đồ phụ thuộc của độ lún theo đường kính hầm tại khoảnh II.B.1 122 Hình 3.35. Độ lún của công trình với các đường hầm khác nhau. ..........................123 Hình 3.36. Các mô hình phân tích lún bề mặt với các chiều sâu đặt hầm khác nhau tại khoảnh II.A.1 .....................................................................................................124 Hình 3.37. Biểu đồ phụ thuộc của độ lún theo chiều sâu đặt hầm khoảnh II.A.1. .125 Hình 3.38. Biểu đồ phụ thuộc của độ lún theo chiều sâu đặt hầm khoảnh II.B.1. ..125 Hình 3.39. Độ lún của công trình với các chiều sâu đặt hầm khác nhau. ...............126 Hình 3.40. Mô hình hố đào với nền gia cố CDM ...................................................127 Hình 3.41. Chuyển vị nền Umax= 5,09cm .................................................................127 Hình 3.42. Chuyển vị tường chắn Umax= 4,8cm ........................................................127 Hình 3.43. Momen uốn tường cừ Mmax=147,9 kN/m ................................................127 Hình 3.44. Cung trượt ..............................................................................................127 Hình 3.45. Hệ số ổn định FOS =2,656 ....................................................................128
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) là siêu đô thị, nằm trong vùng chuyển tiếp giữa miền Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với diện tích tự nhiên 2.096 km2 và dân số hơn 14 triệu người. Với vị trí đặc biệt về địa lý, TP.HCM đã, đang và sẽ giữ vai trò đầu tàu thúc đẩy phát triển kinh tế, xã hội cả nước nói chung, vùng kinh tế trọng điểm phía Nam nói riêng. Hiện nay, TP.HCM đang phải đối diện với những hệ lụy của quá trình đô thị hóa. Sự bùng nổ dân số và phương tiện cá nhân; chất lượng cung ứng dịch vụ vận tải hành khách công cộng kém, đã gây áp lực lên hệ thống cơ sở hạ tầng (CSHT) giao thông đường bộ nội đô, gây hư hỏng, xuống cấp công trình. Trong khi đó, quỹ đất nội đô ngày càng cạn kiệt, tình trạng giao thông tắc nghẽn, ngập úng, các khu không gian mở, không gian xanh, không gian công cộng bị thu hẹp, đòi hỏi việc phát triển phải hướng tới khả năng tận dụng, phát triển song song cả chiều cao lẫn chiều sâu của đô thị [12], [15]. Chính quyền đô thị Thành phố mới chỉ tập trung phát triển không gian trên mặt đất và trên cao, mà chưa khai thác, sử dụng và phát triển không gian ngầm (KGN) đô thị, mặc dù vấn đề này rất được quan tâm từ chính quyền địa phương cũng như các nhà nghiên cứu, có thể xuất phát từ nguyên nhân khách quan là đồ án quy hoạch KGN của TP.HCM vẫn chưa được phê duyệt [1], hiện nay chỉ có Thành phố Hà Nội lập và phê duyệt Quy hoạch chung không gian xây dựng ngầm đô thị trung tâm - Thành phố Hà Nội đến 2030, tầm nhìn đến 2050 theo Quyết định số 913/QĐ-UBND ngày 15.3.2022 [50]. Quy hoạch và phát triển KGN là xu hướng tất yếu trong phát triển đô thị của các nước trên thế giới, như một phương cách tận dụng tài nguyên và hướng tới phát triển bền vững [15]. Một đô thị hiện đại có tỷ lệ công trình ngầm (CTN) chiếm khoảng 20-25% tổng số các dạng công trình [115]. Trong khi đó, với thực trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng tại các đô thị lớn, trong đó có TP.HCM thì việc quy hoạch và phát triển KGN là yêu cầu cấp thiết. Theo Đề cương quy hoạch không gian xây dựng ngầm TP.HCM [34], KGN
2 khu trung tâm Thành phố sẽ tập trung phát triển chạy dọc theo 08 tuyến metro xuyên tâm, với hơn 73 km đoạn tuyến đi ngầm và hơn 72 nhà ga ngầm [28]. Vì thế, việc khai thác KGN giữ vai trò quan trọng trong quy hoạch chung phát triển TP.HCM nhằm giải quyết các vấn đề ùn tắc giao thông, gia tăng diện tích giao thông ngầm (GTN), kết nối các không gian tiện ích khác như đi bộ, thương mại,… Như vậy, có thể thấy, nhu cầu xây dựng KGN của Thành phố trong trương lai là rất lớn. Để quy hoạch và xây dựng KGN nói chung, các công trình giao thông ngầm (CTGTN) nói riêng của TP.HCM hiệu quả, yêu cầu đầu tiên chính là cần có hệ thống cơ sở dữ liệu về đặc điểm địa kỹ thuật (ĐKT). Các dữ liệu về thông tin địa hình và xây dựng bề mặt trong Thành phố đã có, còn dữ liệu ĐKT như: đặc điểm địa chất công trình (ĐCCT); hệ thống kỹ thuật (HTKT) trên mặt, dưới đất hiện hữu cũng như quy hoạch,…cần được khảo sát, thu thập và nghiên cứu thêm để có được hệ thống dữ liệu thống nhất nhằm phục vụ xây dựng các CTGTN của Thành phố. Thành phố đã có các tài liệu về địa chất, địa chất thủy văn (ĐCTV) và ĐCCT đã được công bố như: Bản đồ địa chất đô thị 1/50.000 do Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền Nam thành lập (dự án đã thu thập được hơn 3000 lỗ khoan ĐCCT, 470 lỗ khoan ĐCTV và 52 lỗ khoan địa chất); Bản đồ ĐCCT và ĐCTV tỷ lệ 1/50.000 do Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền Nam thành lập, và các tài liệu khác đã được công bố, điển hình như các tài liệu tại hội thảo Quy hoạch không gian xây dựng ngầm đô thị TP.HCM do Sở Quy hoạch - Kiến trúc TP.HCM tổ chức,…Tuy nhiên, các tài liệu này hoặc là phục vụ mục đích chung hoặc là phục vụ chủ yếu xử lý nền đất yếu cho một số dạng công trình khác nhau. Song, nghiên cứu đầy đủ, có tính hệ thống, chuyên sâu về đặc điểm điều kiện ĐKT của Thành phố phục vụ xây dựng các CTGTN (các tuyến metro, nhà ga, hầm chui,...) còn chưa có. Do vậy, đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm địa kỹ thuật khu vực Thành phố Hồ Chí Minh phục vụ phát triển giao thông ngầm” là rất cấp thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là đánh giá đặc điểm và phân khu ĐKT, đồng thời tính toán dự báo các vấn đề ĐKT phát sinh khi xây dựng CTGTN khu vực TP.HCM.
3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án là: môi trường ĐKT (MTĐKT) khu vực TP.HCM phục vụ xây dựng CTGTN. - Phạm vi nghiên cứu: + Phạm vi về nội dung nghiên cứu: đánh giá những đặc điểm ĐKT liên quan đến xây dựng CTGTN đô thị (chủ yếu dạng tuyến) khu vực TP.HCM. + Phạm vi về không gian nghiên cứu: những đặc điểm ĐKT khu vực TP.HCM phân bố đến chiều sâu nằm trong vùng tương tác giữa CTGTN với MTĐC. 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được các mục đích trên, nội dung luận án tập trung nghiên cứu: - Tổng quan về ĐKT (khái niệm, nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu); CTGTN đô thị (khái niệm, phân loại, các phương pháp thi công và các vấn đề ĐKT phát sinh khi thi công); Tình hình nghiên cứu ĐKT phục vụ xây dựng CTGTN đô thị trên thế giới và Việt Nam; - Nghiên cứu đánh giá đặc điểm ĐKT khu vực TP.HCM, bao gồm: MTĐC, HTKT hiện hữu và quy hoạch của Thành phố liên quan đến xây dựng CTGTN; sự tương tác giữa HTKT với các yếu tố của MTĐC. - Phân khu ĐKT phục vụ xây dựng các CTGTN của Thành phố; - Tính toán, dự báo các vấn đề ĐKT phát sinh khi xây dựng CTGTN; - Đề xuất các giải pháp đảm bảo ổn định khi xây dựng CTGTN TP.HCM. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1. Cách tiếp cận Luận án tiếp cận theo hướng: - Hệ thống: MTĐKT TP.HCM là hệ thống gồm ba hợp phần là hợp phần kỹ thuật, hợp phần MTĐC và môi trường xung quanh (MTXQ), chúng có mối tương quan chặt chẽ với nhau. Khi đánh giá đặc điểm ĐKT Thành phố sẽ được xem xét sự tương tác giữa các hợp phần đó hướng tới việc khai thác hợp lý và bảo vệ MTĐKT. - Kế thừa: nghiên cứu, kế thừa những kiến thức và tài liệu thực tế đã có trong và ngoài nước để tham khảo, sử dụng trong giải quyết các nhiệm vụ của luận án; - Lý thuyết: sử dụng các lý thuyết của cơ học đất, cơ học đá, ĐCCT để tìm ra các quy luật cơ học, phục vụ nghiên cứu luận án;
4 - Thực nghiệm: các nghiên cứu lý thuyết được kiểm chứng qua thực nghiệm để minh chứng sự chính xác của các quá trình; - Hiện đại: ứng dụng mô hình số để giải quyết các bài toán ĐKT trong nội dung luận án đề cập. 5.2. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổ hợp các phương pháp nghiên cứu: - Phân tích hệ thống: phân chia các hợp phần trong hệ thống MTĐKT, nghiên cứu sự tương tác giữa chúng về hình thức, cường độ tương tác, các quá trình xảy ra trong quá trình tương tác; - Kế thừa: thu thập, phân tích, tổng hợp và kế thừa các tài liệu, các công trình nghiên cứu đã được công bố, nhằm phân tích các dữ liệu liên quan đến đề tài luận án, từ đó phát triển hướng nghiên cứu mới. - Lý thuyết: bổ sung những cơ sở lý thuyết mới trong nước và thế giới về ĐKT trong thi công xây dựng các CTGTN. - Thực địa: tiến hành đi thực tế tại công trình để quan sát, thu thập các tài liệu về các CTGTN hiện có, đang thi công; các số liệu quan trắc ĐKT đã và đang tiến hành ở ngoài trời nhằm bổ sung số liệu và nghiên cứu chuyên sâu phục vụ tính toán và dự báo các vấn đề ĐKT khi thi công CTGTN. - Sử dụng mô hình số trong tính toán dự báo các vấn đề ĐKT phát sinh khi xây dựng CTGTN; có sử dụng các phần mềm tính toán chuyên dụng Plasix 2D, 3D. 6. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: căn cứ vào đặc điểm ĐKT trên quan điểm phục vụ xây dựng CTGTN, khu vực nghiên cứu được chia thành 2 khu, 4 phụ khu và 12 khoảnh ĐKT. Kết quả phân khu là cơ sở khoa học phục vụ quy hoạch, thiết kế và thi công các CTGTN dạng tuyến tại TP.HCM. Luận điểm 2: khi thi công đường hầm bằng TBM, để độ lún giới hạn cho phép không lớn hơn 15mm, trong điều kiện ĐKT như khoảnh II.A.1 thì độ sâu đặt hầm tối ưu  22m với đường kính hầm D ≤ 6m, trong điều kiện ĐKT như khoảnh II.B.1 thì độ sâu đặt hầm tối ưu  15m với đường kính hầm D ≤ 7,0m.
5 7. Các đóng góp khoa học mới của luận án Các đóng góp khoa học mới của luận án bao gồm: - Luận án đã góp phần vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết và phương pháp luận nghiên cứu ĐKT. - Luận án đã nghiên cứu đầy đủ và hệ thống đặc điểm ĐKT khu vực TP.HCM phục vụ xây dựng CTGTN; tiến hành phân chia khu vực TP.HCM thành 02 khu, 04 phụ khu và 12 khoảnh ĐKT phục vụ cho thi công xây dựng CTGTN dạng tuyến. - Dự báo chi tiết và đầy đủ các vấn đề ĐKT khi thi công xây dựng CTGTN cho từng khu, phụ khu và khoảnh ĐKT; dự báo và phân tích được sự biến đổi của sụt lún mặt đất khi thi công đường hầm bằng phương pháp TBM; đồng thời đã đề xuất các giải pháp ĐKT đảm bảo ổn định, phù hợp với việc thi công xây dựng các CTGTN khu vực TP.HCM. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung cơ sở khoa học về nội dung và phương pháp luận nghiên cứu đặc điểm ĐKT phục vụ xây dựng CTGTN đô thị; Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo tốt để định hướng cho công tác quy hoạch, khảo sát, thiết kế và thi công các CTGTN tại TP.HCM. 9. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài Luận án được hoàn thành trên cơ sở các kết quả học tập và nghiên cứu nhiều năm của tác giả tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Luận án sử dụng các kết quả nghiên cứu đã được công bố của nhiều cơ quan, tác giả khác nhau và tài liệu lưu trữ có liên quan đến đề tài nghiên cứu, bao gồm: - Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp TP.HCM: “Nghiên cứu hiệu chỉnh, bổ sung loạt bản đồ ĐCCT TP.HCM, tỷ lệ 1/50.000, phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên đất vào bảo vệ môi trường bền vững” nghiệm thu năm 2007, do Nguyễn Văn Ngà chủ nhiệm đề tài, cơ quan chủ trì Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM. - Báo cáo nghiệm thu dự án triển khai khoa học công nghệ “Biên hội bản đồ địa chất, bản đồ ĐCTV và bản đồ ĐCCT Thành phố Hồ Chí Minh tỷ lệ 1/50.000”, nghiệm thu năm 2010, do TS. Bùi Trần Vượng chủ nhiệm dự án, cơ quan chủ trì dự án là Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên Nước miền Nam;
6 - Bản đồ địa hình; Bản đồ địa chất Đệ tứ; Các tài liệu Địa mạo - Tân kiến tạo của TP.HCM do Liên đoàn Bản đồ miền Nam sao lục năm 2021. - Kỷ yếu hội thảo: “Quy hoạch không gian xây dựng ngầm đô thị TP.HCM” do Sở Quy hoạch kiến trúc TP.HCM tổ chức vào tháng 04 năm 2018. - Tài liệu Thiết kế kỹ thuật dự án xây dựng tuyến Metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên do Liên danh Shimizu-Maeda thực hiện năm 2016. - Luận án thu thập, tổng hợp 3.182 hình trụ hố khoan, 39.372 mẫu đất thí nghiệm. Trong đó, tổng hợp từ các tài liệu của Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Nam là 3.027 hố khoan và 39.087 mẫu đất; tổng hợp từ tài liệu của Phân viện KHCN Xây dựng phía Nam và các công ty, cơ quan khác là 155 hố khoan và 285 mẫu đất thí nghiệm. - Các tài liệu thu thập từ công tác khảo sát thực địa tuyến metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên. - Ngoài ra, luận án được hoàn thành trên cơ sở lược khảo các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan, nhằm kế thừa các kết quả nghiên cứu đã được công bố phục vụ cho đề tài luận án. 10. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 3 chương, dày 144 trang, 37 bảng biểu, 56 hình vẽ và danh mục 118 tài liệu tham khảo. Cụ thể: - Chương 1: Tổng quan nghiên cứu địa kỹ thuật phục vụ xây dựng công trình giao thông ngầm đô thị. - Chương 2: Đặc điểm môi trường địa kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. - Chương 3: Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật và đề xuất giải pháp ổn định khi thi công công trình giao thông ngầm. 11. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại Bộ môn ĐCCT, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của: PGS.TS Đỗ Minh Toàn, PGS.TS Nguyễn Thị Nụ. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến:
7 PGS.TS. Đỗ Minh Toàn, PGS.TS Nguyễn Thị Nụ - các thầy, cô hướng dẫn khoa học và truyền đạt nhiều kiến thức chuyên môn cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án. PGS.TS Bùi Trường Sơn - Trưởng Bộ môn Địa chất công trình, TS. Nguyễn Văn Phóng - Phó trưởng Bộ môn đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh học tập, nghiên cứu. Các cơ quan: Bộ môn Địa chất công trình, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Địa chất, Phòng Đào tạo Sau đại học, thuộc Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước miền Nam, Liên đoàn Bản đồ miền Nam, Phân viện KHCN Xây dựng phía Nam, các Công ty xây dựng trên địa bàn TP.HCM,…đã giúp đỡ chân thành khi tác giả thực hiện luận án. Các Nhà khoa học GS. TSKH Phạm Văn Tỵ, PGS.TS Nguyễn Huy Phương, PGS.TS Tạ Đức Thịnh, PGS.TS Đoàn Thế Tường, PGS.TS Lê Trọng Thắng, PGS. TSKH Vũ Cao Minh, PGS.TS Đỗ Ngọc Anh, PGS.TS Trần Tuấn Minh, PGS.TS Nguyễn Đức Mạnh, TS. Tô Xuân Vu, TS. Nguyễn Viết Tình, TS. Vũ Ngọc Bình,…và các bạn đồng nghiệp đã có nhiều đóng góp và giúp đỡ quý báu để tác giả hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã cổ vũ tinh thần, đóng góp nhiều công sức cho nghiên cứu sinh thực hiện luận án.
8 Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGẦM ĐÔ THỊ 1.1. Tổng quan về địa kỹ thuật và công trình giao thông ngầm đô thị 1.1.1. Tổng quan về địa kỹ thuật 1.1.1.1. Khái niệm địa kỹ thuật Trên thế giới, ĐKT là một lĩnh vực rất rộng bao gồm: ĐKT môi trường, ĐKT mỏ, ĐKT xây dựng (ĐKTXD) hay ĐKT công trình [65]. Trong phạm vi nghiên cứu, luận án chỉ tập trung nghiên cứu về ĐKTXD và gọi tắt là ĐKT. ĐKT là một ngành khoa học thuộc lĩnh vực xây dựng. Từ lâu, khái niệm này đã được sử dụng ở các nước tiên tiến như Mỹ và các nước Châu Âu và gần đây đã được các nước Châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ, Thái Lan,...quan tâm. Trong những năm gần đây, Việt Nam đã hình thành thuật ngữ “Địa kỹ thuật”. Để có cái nhìn khái quát về ĐKT, luận án tổng hợp một số khái niệm về ĐKT của các tác giả trong và ngoài nước như sau: Theo một số tác giả nước ngoài: - Tác giả D.P. Giles (2005) [65] thì cho rằng: ĐKT là ứng dụng của các ngành khoa học về cơ học đất và cơ học đá, ĐCCT, cũng như các ngành khoa học liên quan khác để xây dựng công trình, các ngành công nghiệp khai thác và bảo tồn, cải thiện môi trường. - Mohamed A. Shahin (2013) [86]: ĐKT là ngành khoa học nghiên cứu ứng xử của các loại vật liệu, chủ yếu là đất và đá, về bản chất của chúng, thể hiện các hành vi khác nhau và không chắc chắn do các quá trình vật lý không chính xác liên quan đến sự hình thành của các vật liệu này. Mô hình hóa ứng xử của chúng rất phức tạp và thường nằm ngoài khả năng của các phương pháp kỹ thuật vật lý truyền thống. - Theo Abolfazl Eslami (2020) [53]: ĐKT là ứng dụng có hệ thống của các kỹ thuật cho phép xây dựng trên, trong hoặc bằng vật liệu ĐKT, tức là đất và đá. Đối với các tác giả trong nước: Theo Nguyễn Thanh và nnk (2009) [38]: MTĐKT CTN là phần trên cùng của thạch quyển bao gồm quanh CTN và được cấu tạo từ các thành tạo đất đá với nguồn gốc, thời gian thành tạo, thành phần thạch học, cấu trúc, thế nằm, đặc điểm