PLAXIS 3D – Ứng dụng Phương pháp Đào hầm Truyền thống: Áp dụng MTM

Bài viết này là phần tiếp theo của chuỗi “Đào hầm hiệu quả với PLAXIS”, tập trung vào mô hình hóa Phương pháp Đào hầm truyền thống Madrid (MTM) trên PLAXIS 2D và 3D. Một số dự án khó có thể ứng dụng mô hình 3D do giới hạn về kinh phí và tiến độ, do đó việc hiệu chỉnh mô hình 2D dựa trên 3D mang ý nghĩa thiết thực trong thiết kế và thi công hầm, đảm bảo an toàn đồng thời hướng tới những giải pháp bền vững hơn.

Mô hình Tương tác Đất – Kết cấu (SSI)

Đầu tiên, cần xây dựng song song hai mô hình SSI – một mô hình 3D và một mô hình 2D (dựa trên mô hình 3D). PLAXIS 3D và 2D được lựa chọn cho mô phỏng phần tử hữu hạn này. Địa chất của mô hình được trình bày ở bảng dưới đây (tham khảo chi tiết tại Blog 1):

Bảng thông tin các lớp đất nền, độ dày từng lớp – dữ liệu phục vụ cho lựa chọn vật liệu mô hình.
Bảng tóm tắt thành phần đất nền của mô hình
Mô hình PLAXIS 3D với hố đào và các vị trí đo phục vụ phân tích kỹ thuật tunnel.
Mô hình SSI 3D trên PLAXIS cho bài toán đường hầm

Các thông số đất sử dụng trong mô hình cũng được trình bày tại Blog 1, với bảng thông số Hardening soil dưới đây:

Bảng các thông số mô hình hóa đất nền với phương pháp Hardening Soil.
Bảng thông số đất nền sử dụng trong mô hình Hardening Soil cho PLAXIS

Mô hình SSI 3D chi tiết

Mô hình SSI 3D trên PLAXIS với kích thước 40x60m, chiều sâu 31m, sử dụng trên 162.000 phần tử. Vỏ hầm được xây dựng bằng các phần tử thể tích và bổ sung các bản tấm giả để dễ dàng trích xuất nội lực phục vụ thiết kế kết cấu. Ngoài vỏ bê tông nguyên khối, mô hình còn sử dụng các dầm thép waler, kèo gỗ và thanh giằng gỗ để mô phỏng biện pháp chống tạm thời trước khi hoàn thiện bê tông vĩnh cửu.

Mô phỏng tiến trình thi công phức tạp của Phương pháp truyền thống Madrid với 6 giai đoạn độc lập cho một đợt đào đỉnh hầm dài 2,5m.
Chuỗi giai đoạn mô phỏng mô hình hóa quá trình thi công hầm theo phương pháp Madrid

Toàn bộ quá trình thi công đường hầm được mô phỏng 115 giai đoạn, bao gồm 16 lượt đào tiến (mỗi lượt 2,5m) cùng tường và gối hầm, phản ánh đầy đủ trình tự phức tạp của phương pháp Madrid.

Hiệu chỉnh mô hình (Calibration)

Hiệu chỉnh nhằm mục tiêu xác định số lượng và trình tự các giai đoạn thi công đại diện đúng cho phương pháp truyền thống Madrid khi áp dụng phân tích 2D thay vì 3D. Điều này cần thiết do mô hình 2D không thể mô phỏng trực tiếp toàn bộ quá trình 3D, đặc biệt với các hiệu ứng mái vòm đất theo chiều dọc và tương tác xa với mặt đào. Thông qua tham số Mstage trong PLAXIS, mức độ giảm ứng suất do đào đất được điều chỉnh phù hợp ở từng giai đoạn. Ngoài ra, mô hình cũng bổ sung thêm giai đoạn chống đỡ ảo khi đào đỉnh hầm (top heading), và đảm bảo sự đối xứng khi đào hai tường bên, tất cả nhằm tái hiện đúng diễn biến biến dạng, ứng suất so với thực tế 3D. Kết quả hiệu chỉnh được đánh giá dựa trên lún mặt đất và chuyển vị đỉnh hầm tại từng giai đoạn, song song giữa mô hình 2D và 3D.

Lún bề mặt đất

Kết quả cho thấy giá trị lún tối đa ở pha cuối: mô hình 3D đạt 7,74 mm, còn mô hình 2D là 7,73 mm – chênh lệch gần như không đáng kể. Ngay ở pha đầu (giai đoạn quan trọng nhất), lún đạt ~40% giá trị tổng (3,2 mm ở cả hai mô hình); đến giai đoạn đổ bê tông đỉnh đạt 72% (5,6 mm). Khi đào tường bên trái, lún tích lũy đạt 91% ở 3D (7,1 mm) và 88% ở 2D (6,8 mm). Sau khi hoàn tất tường bên phải và bê tông, lún vượt trên 95% toàn bộ quá trình.

Diễn biến lún mặt đất của các mô hình tại từng giai đoạn tính toán.
Biểu đồ lún mặt đất theo từng giai đoạn xây dựng

Về chuyển vị thẳng đứng của đỉnh hầm, giá trị cuối ở mô hình 3D là 10,7 mm và ở 2D là 10,4 mm. Giai đoạn đào đỉnh lần đầu đạt 5,2 mm (3D) và 4,7 mm (2D); đổ bê tông đỉnh đạt 5,4 mm (3D) và 8,1 mm (2D). Sự khác biệt này dần thu hẹp ở các pha tiếp theo, tới lúc đào đáy đều gần như đồng nhất (10,6 mm 3D, 10,4 mm 2D).

Biểu đồ lún mặt đất cực đại của mô hình ở mỗi giai đoạn thi công.
Biểu đồ lún cực đại tại từng giai đoạn – so sánh 2D và 3D

Nội lực trong vỏ hầm

Nội lực vỏ hầm (crown và side wall) được đánh giá trong giai đoạn cuối khi vỏ bê tông đạt 7 ngày tuổi. Kết quả cho thấy độ lệch nội lực nhỏ giữa hai mô hình, đặc biệt với vùng crown, và dù ứng suất cắt có sai số lớn hơn nhưng không ảnh hưởng lớn đến kiểm toán do vỏ dày.

Biểu đồ so sánh lực lớn nhất và nhỏ nhất trong hai mô hình ở giai đoạn cuối cùng.
Bảng/biểu đồ nội lực vỏ hầm ở giai đoạn cuối cùng so sánh hai mô hình.

Thảo luận kết quả

Dễ dàng nhận thấy độ lún bề mặt giữa 2D và 3D gần như trùng khớp (sai số chỉ 0,13%), các pha đầu và trung gian cũng đạt độ hiệu chỉnh rất cao (khoảng 1%). Chuyển vị đỉnh hầm cũng bám sát nhau (sai số cuối cùng 2,8% – chênh lệch chỉ 0,3 mm). Nội lực vỏ hầm, đặc biệt vùng crown, phù hợp với sai số nhỏ; riêng tại tường bên, sự sai khác lớn hơn do đặc điểm mô phỏng quy trình thi công khác biệt giữa hai mô hình. Dẫu vậy, toàn bộ kết quả được đánh giá là đủ độ tin cậy cho thực hành thiết kế.

Kết luận

Bằng việc hiệu chỉnh mô hình 2D từ dữ liệu 3D chi tiết, phương pháp Madrid có thể ứng dụng thực tế với mô hình hóa nhanh chóng, tiết kiệm mà vẫn đảm bảo độ chính xác về lún và nội lực kết cấu. Tham số Mstage trong PLAXIS đóng vai trò chủ chốt để tái tạo hiệu ứng giữ ổn định khi thi công. Khuyến khích sử dụng quy trình này cho các giai đoạn tiền khả thi hoặc thiết kế sơ bộ khi thời gian hoặc chi phí bị bó hẹp. Tuy nhiên, nên tiếp tục kiểm nghiệm, hiệu chỉnh thực tế dựa trên số liệu quan trắc thực tế công trường để tối ưu hóa và tăng độ bền vững cho dự án.

Bạn đang cần giải pháp tối ưu thiết kế và mô phỏng cho công trình hạ tầng, đặc biệt trong lĩnh vực đường hầm, nền móng hay xử lý đất yếu với PLAXIS? Hãy để đội ngũ kỹ sư chuyên sâu của MICAD đồng hành cùng bạn từ tư vấn kỹ thuật, mô hình hóa đến hỗ trợ triển khai dự án thực tiễn, giúp tối ưu chi phí, đảm bảo chất lượng và tiến độ. Đừng ngần ngại liên hệ ngay với chúng tôi qua đường dẫn https://micad.vn/bao-gia/ để nhận báo giá chi tiết và tư vấn miễn phí. MICAD cam kết mang lại giá trị thực tiễn, giải pháp phù hợp nhất cho mọi bài toán địa kỹ thuật của bạn!