Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới ứng xử động lực học của công trình ngầm trong điều kiện Việt Nam

“Công trình ngầm” là công trình được xây dựng ngầm dưới đất bao gồm công trình hạ tầng kỹ thuật ngầm; công trình giao thông ngầm; công trình công cộng ngầm và phần ngầm của các công trình xây dựng. Công trình ngầm là một bộ phận quan trọng trong cơ sở hạ tầng kỹ thuật đô thị và mạng lưới giao thông quốc gia.

Đánh giá khả năng chịu động đất của công trình là một vấn đề quan trọng và thiết thực trong quá trình quản lý - vận hành công trình. Mặc dù ứng xử động đất của hầm và các kết cấu chôn vùi trong đất thường được coi là tốt hơn kết cấu trên mặt đất nhưng lịch sử đã chứng kiến nhiều công trình ngầm bị phá hủy nghiêm trọng khi động đất xảy ra. Các kết cấu hầm chôn sâu thường có tính kháng chấn tốt hơn các hầm nằm gần mặt đất do biến dạng nền và vận tốc nền nhỏ đi khi chiều sâu chôn hầm tăng lên. Khi động đất gây ra rung lắc nền, các hiệu ứng tương tác mạnh sinh ra giữa kết cấu và địa tầng xung quanh và chịu ảnh hưởng của hai yếu tố: độ cứng tương đối, các đặc trưng tương tác của hầm và địa tầng.

Nghiên cứu thực nghiệm khả năng kháng chấn của công trình ngầm theo các điều kiện động đất của Việt Nam tại các phòng thí nghiệm công trình trong nước là chưa có hoặc chưa được công bố rộng rãi. Điều đó cho thấy nhu cầu về các nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật đánh giá khả năng làm việc của công trình ngầm khi chịu động đất, làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế công trình ngầm đạt tới yêu cầu hiệu quả, an toàn trong suốt tuổi thọ thiết kế.

Nhằm xây dựng cơ sở khoa học bằng việc thu thập tài liệu tổng quan về nghiên cứu ứng xử động của công trình ngầm chịu động đất đã được công bố trên thế giới và Việt Nam; xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu thực nghiệm về khả năng chịu động đất của công trình ngầm, bao gồm cách thức xây dựng mô hình vật lý thu nhỏ của công trình, cách thức mô phỏng động đất bằng bàn rung, các thức tiến hành thực nghiệm trên bàn rung; Tiến hành thí nghiệm mô phỏng động đất trên bàn rung theo điều kiện động đất của Việt Nam và phân tích, đánh giá kết quả ứng xử kháng chấn của công trình ngầm trên mô hình vật lý, nhóm nghiên cứu do TS. Trần Thị Thu Hằng, Tổng cục Đường bộ Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới ứng xử động lực học của công trình ngầm trong điều kiện Việt Nam”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện (01/2018 đến 08/2019), đề tài đưa ra những kết luận như sau:

Công trình ngầm đóng vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầng - giao thông của xã hội. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới các công trình xây dựng là một vấn đề quan trọng và thiết thực. Quan điểm coi động đất không ảnh hưởng đến công trình ngầm do công trình nằm trọn trong địa tầng là không phù hợp và cần phải xét đến khả năng biến dạng dẫn tới phá hoại công trình ngầm do sự rung động và phá hủy khối đất đá xung quanh công trình do động đất. Việt Nam tuy được coi là thuộc khu vực xảy ra động đất yếu do không nằm trên đường ranh giới của bất kỳ mảng kiến tạo nào nhưng lại nằm ở phần Ðông Nam của mảng lục địa Á - Âu, giữa mảng lục địa Ấn Ðộ, Philippine và mảng lục địa Úc là các mảng kiến tạo hoạt động. Bên cạnh đó, trên lãnh thổ Việt Nam tồn tại mạng lưới đứt gãy phức tạp. Vì vậy, có khả năng xảy ra động đất mạnh ở Việt Nam.

Theo danh mục động đất do Viện Vật lý địa cầu (Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam) thống kê đến năm 2007, có 594 trận động đất lớn hơn 4 độ richter được ghi nhận ở nước ta. Trong lúc đó, các tiêu chuẩn kỹ thuật để thiết kế kháng chấn cho công trình lại không nhiều (22TCN 221-95, 22TCN 272-05 được nâng câp lên thành TCVN 11823:2017; TCXDVN 375:2006 được chuyển đổi thành TCVN 9386:2012 “Thiết kế công trình chịu động đất”). Trong các tiêu chuẩn này, nội dung dành riêng cho công trình ngầm là không có. Bên cạnh đó, TCVN 4527:1988 “Hầm đường sắt và hầm đường ô-tô - Tiêu chuẩn thiết kế” chỉ áp dụng cho hầm xuyên núi trên cơ sở tham khảo tiêu chuẩn của Liên Xô đã quá cũ. Điều này dẫn tới việc thiếu hụt cơ sở kỹ thuật cho việc thực hiện thiết kế kháng chấn và kiểm soát khả năng kháng chấn của các công trình ngầm ở Việt Nam. Nghiên cứu thiết kế kháng chấn cho các kết cấu công trình ở Việt Nam đã được thực hiện cho các công trình dân dụng và công trình giao thông nhưng chủ yếu được thực hiện theo phương pháp lý thuyết, trong khi nghiên cứu thực nghiệm còn khiêm tốn.

 Các nghiên cứu thực nghiệm về công trình ngầm chịu động đất theo các điều kiện địa chấn ở Việt Nam là chưa có hoặc chưa được công bố rộng rãi. Trang thiết bị kỹ thuật phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm về động đất ở nước ta còn hạn chế: chưa có máy ly tâm và chỉ có 2 bàn rung. Cho đến nay, chưa có công bố khoa học nào về ảnh hưởng của động đất đến công trình ngầm thực hiện tại phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Việc xây dựng được thí nghiệm bàn rung tại phòng thí nghiệm Việt Nam, với các điều kiện động đất của Việt Nam và công bố rộng rãi các kết quả đạt được là rất cần thiết và có ý nghĩa thúc đẩy sự phát triển của khoa học thực nghiệm phục vụ đời sống xã hội. Điều đó đáp ứng nhu cầu về các nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật đánh giá khả năng làm việc của công trình ngầm khi chịu động đất, làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế công trình ngầm đạt tới yêu cầu hiệu quả, an toàn trong suốt tuổi thọ thiết kế.

Các kết quả đạt được của đề tài như sau:

- Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong phạm vi đề tài, đã chứng minh được động đất có ảnh hưởng bất lợi và phức tạp đến công trình ngầm, từ đó khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất đến công trình ngầm.

- Đề tài đề xuất cách thức nghiên cứu nội dung này bằng thí nghiệm mô hình vật lý trên bàn rung. Nghiên cứu thực nghiệm của đề tài đã lựa chọn nguyên mẫu là hầm metro thuộc tuyến Đường sắt đô thị Hà Nội số 3: Nhổn - ga Hà Nội, và cát đen sông Hồng là một vật liệu nền đặc thù ở khu vực Hà Nội. Đây là công trình metro ngầm giao thông đầu tiên đang được xây dựng ở miền Bắc nước ta - vốn là khu vực chủ yếu xảy ra động đất ở Việt Nam. Thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Công trình trường đại học Giao thông Vận tải trên bàn rung R202(UTC) là 1 trong 2 bàn rung tại Việt Nam. Vì vậy, các lựa chọn đầu vào cho thí nghiệm tuy chỉ phản ảnh được 1 phần điều kiện Việt Nam, nhưng là các điều kiện đặc trưng có thể đại diện cho tình hình ở nước ta hiện nay, và cũng phù hợp với điều kiện trang thiết bị và khả năng thực hiện thí nghiệm ở nước ta hiện nay.

Từ các kết quả thí nghiệm rút ra được kết luận sau:

- Ảnh hưởng của động đất đến địa tầng mô phỏng xung quanh mô hình CTN và CTN là rất rõ rệt và phức tạp;

- Hiện tượng phá hoại địa tầng và CTN (sụt lún kèm các vết nứt trên mặt đất) phù hợp với cơ chế phá hoại chủ yếu do sự tích lũy chuyển vị cắt dọc theo các vết nứt. Việc thực hiện đề tài khẳng định yêu cầu nghiên cứu về ảnh hưởng của động đất đến công trình ngầm cho các công trình trong thực tế và sự cần thiết ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật về thiết kế kháng chấn cho công trình ngầm ở Việt Nam.

Sản phẩm cụ thể của đề tài là dự thảo “Hướng dẫn đánh giá khả năng kháng chấn của công trình ngầm bằng mô phỏng động đất trên mô hình vật lý trong điều kiện Việt Nam” có thể cung cấp cho các đơn vị quản lý - khai thác công trình ngầm để biết được khả năng kháng chấn thực tế của công trình. Kết quả nghiên cứu có thể đối chiếu, kiểm chứng với các kết quả nghiên cứu bằng phương pháp số của các tác giả khác đã công bố, có thể sử dụng làm dữ liệu ghi chép cơ sở phục vụ cho công thiết kế kháng chấn ở nước ta.

Hướng phát triển trong tương lai sau đề tài là mở rộng nghiên cứu thực nghiệm cho nguyên mẫu công trình khác, với dạng mặt cắt ngang công trình khác nhau, trong các điều kiện địa tầng khác nhau. Ngoài ra, việc kết hợp các kết quả nghiên cứu thực nghiệm với các kết quả nghiên cứu lý thuyết trên các mô hình toán và các mô hình số xây dựng trên phần mềm phân tích kết cấu nhằm mục tiêu chứng minh tính đúng đắn của các mô hình đã xây dựng, chỉnh sửa và hoàn thiện các kết quả thu được.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16694/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (TH)