PLAXIS 2D – Ứng dụng Phương pháp Đào hầm Truyền Thống MTM

Phương pháp truyền thống của Madrid (TMM) từ lâu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng hầm metro tại thủ đô Tây Ban Nha. Đặc trưng nổi bật nhất của TMM là trình tự đào chia nhỏ vòm, kết hợp thi công hỗ trợ tạm thời bằng cách sử dụng đà gỗ, dầm thép và ván gỗ ngay khi đào, sau đó nhanh chóng lắp đặt lớp lót bêtông vĩnh cửu không cốt thép. Quá trình xây dựng tường và bản đáy cũng thực hiện tương tự và cách đoạn đào vài mét.

Những Đặc Điểm Chính của Phương pháp Madrid (TMM)

Kinh nghiệm xây dựng hầm tại Madrid cho thấy, TMM đem lại sự an toàn cao nhờ giới hạn diện tích đào nhỏ (<5 m2), giảm diện tích mặt đào mở giúp đảm bảo ổn định trong thi công. Trình tự bắt đầu với việc đào một hành lang nhỏ dẫn (pilot tunnel), vừa khai thác vừa chống đỡ bằng ván gỗ, dầm thép và các thanh chống gỗ dựng đứng. Cách làm này cho phép ứng phó nhanh với các điều kiện địa chất bất ngờ, đồng thời phù hợp với các không gian hạn chế trong đô thị.

Đường hầm sau khi được đào ra và các kết cấu chống đỡ tạm thời được lắp đặt.

Quy trình truyền thống chia thi công thành ba giai đoạn: vòm trên (top heading), thân giữa (bench) và bản đáy (invert). Mỗi giai đoạn được thực hiện với chiều dài đào ngắn (1,25 – 2,5 m), luôn lắp đặt kết cấu chống đỡ phía trước. Sau khi hoàn thành vòm, công nhân sẽ tiến hành đổ bêtông cho vòm bằng bơm tại chỗ, rồi tiếp tục đào thân giữa và đổ bêtông tường hông; cuối cùng hoàn thiện bản đáy bằng bêtông.

Trình tự thi công cụ thể của phương pháp Madrid

Hình minh họa trình tự đào và chống đỡ theo phương pháp truyền thống Madrid.

Dưới đây là các bước chính thường thấy trong thi công hầm kiểu Madrid:

  • Bước 1-3 – Đào vòm trên (Top heading): Kiểm soát chặt chẽ hiện tượng sụp đổ mặt đào nhờ chống đỡ bằng đà thép, ván gỗ và các trụ gỗ dựng đứng. Đào từng đoạn nhỏ để đảm bảo ổn định, kèm khảo sát điều kiện đất và điều chỉnh biện pháp nếu gặp địa chất yếu.
  • Bước 4 – Đào thân giữa (Bench): Đào tiếp phần giữa khi vòm trên đã ổn định, duy trì phần đất bảo vệ phía dưới vòm, thi công tường hông từng bên để luôn giữ kết cấu vòm ổn định, không tiến hành đào hai bên đối diện cùng lúc.
  • Bước 5-6 – Thi công bản đáy (Invert) và bơm grout: Đào và đổ bêtông bản đáy để khép kín tiết diện hầm. Sau đó, tiến hành bơm vữa (grout) qua lỗ khoan phía ngoài vòm để lấp đầy các khe hở, chống thấm và bảo đảm độ kín của các khớp nối.

Mô hình tương tác Đất – Kết cấu (SSI) với PLAXIS

Việc mô phỏng và phân tích tương tác đất – kết cấu là bước thiết yếu nhằm bảo đảm ổn định và dự báo hiệu quả biến dạng khi thi công. Tác giả đã sử dụng PLAXIS 2D và PLAXIS 3D để đồng thời khảo sát trên cả mô hình ba chiều và hai chiều, lựa chọn tiết diện metro điển hình tại khu vực Bắc Madrid với các lớp đất phổ biến: lớp đất san lấp bề mặt, lớp cát sét (Arenas Tosquizas), sét cát (Toscos) và sét rắn (Peñuelas).

Bảng tổng kết các lớp địa chất sử dụng cho mô hình phân tích SSI.

Các tham số cơ học đất sử dụng thuộc mô hình Hardening Soil, với giả định đất khô và tính toán theo điều kiện tiêu nước. Số liệu cụ thể về các thông số đất cũng được thể hiện chi tiết trong bảng dưới đây:

Bảng giá trị thông số mô hình Hardening Soil cho các lớp đất đặc trưng.

Mô hình 2D SSI – Quy trình Mô phỏng và các Pha Tính toán

Mô hình hai chiều được xây dựng với chiều rộng 80m và sâu 37m, vị trí đặt hầm, địa tầng giống với mô hình 3D. Vỏ bê tông vĩnh cửu được mô phỏng bằng phần tử thể tích, các kết cấu tạm thời khác như ván gỗ, đà gỗ được sử dụng dạng plate và dầm cài chèn (embedded beam rows).

Đặc biệt, tham số “giai đoạn thi công” (Mstage) cho phép hiệu chỉnh quá trình giải phóng ứng suất đất sao cho gần với thực tế ba chiều, bao gồm các giai đoạn sau đây:

  • Giai đoạn 0: Xác lập ứng suất tự nhiên bằng phương pháp K0.
  • Giai đoạn 1: Đào vòm trên và lắp dựng chống đỡ tạm thời (giải phóng ứng suất đất tới 79%).
  • Giai đoạn 2: Pha mô phỏng ảnh hưởng 3D, relax ứng suất ở mức 40%.
  • Giai đoạn 3: Đổ bê tông vòm trên.
  • Giai đoạn 4: Đào thân giữa.
  • Giai đoạn 5-6: Đào bench phải và đổ bê tông tường phải (ứng suất relax 48%).
  • Giai đoạn 7-8: Đào bench trái và đổ bê tông tường trái.
  • Giai đoạn 9-10: Đào và đổ bê tông bản đáy.
  • Giai đoạn 11: Bê tông hoàn thành, đạt tuổi 7 ngày.
Minh họa các giai đoạn mô phỏng trong mô hình 2D khi thi công hầm theo phương pháp truyền thống với PLAXIS.

Việc sử dụng mô hình 2D có hiệu quả đặc biệt trong giai đoạn thiết kế sơ bộ hoặc khi cần đánh giá nhanh, đồng thời cần hiệu chỉnh hợp lý các giả thiết để kết quả sát thực tế.

Xây dựng hầm bằng phương pháp truyền thống Madrid đòi hỏi sự phối hợp chính xác giữa kinh nghiệm thực tế, khả năng phân tích mô phỏng cũng như lựa chọn vật liệu và trình tự thi công phù hợp với từng điều kiện địa chất. Với sự hỗ trợ của phần mềm PLAXIS, các kỹ sư hạ tầng có thể tối ưu hóa giải pháp, tăng hiệu quả và an toàn trong thực tế thi công hầm trong đô thị Việt Nam.

Bạn đang tìm giải pháp tối ưu cho dự án thi công hầm hoặc công trình ngầm của mình? Hãy liên hệ ngay với đội ngũ chuyên gia của Micad tại link https://micad.vn/bao-gia/ để được tư vấn chi tiết về các biện pháp mô phỏng hiện đại cùng phần mềm PLAXIS, cũng như chuyên môn về giải pháp thi công truyền thống Madrid. Chúng tôi sẽ giúp bạn hoạch định, dự báo rủi ro và tối ưu chi phí tốt nhất cho dự án! Đừng bỏ lỡ cơ hội trao đổi trực tiếp với các kỹ sư nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng và ngầm hóa đô thị.