Biến dạng thấm trong quá trình thi công các công trình ngầm
Một trong những vấn đề mang tính thời sự hiện nay trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh là vấn đề ổn định hố móng và công trình lân cận khi thi công các công trình ngầm hoặc phần ngầm của công trình cao tầng.
________________________________________
PGS.TS. Phạm Qúy Nhân
PGS.TS. Lê Trọng Thắng
Đại học Mỏ - Địa chất
ThS. Phan Chu Nam
Trung tâm Quy hoạch và ĐTTNN miền Nam
KS. Lê Cao Minh
Công ty TNHH Thế Giới Kỹ thuật

Kết quả đánh giá đặc điểm địa chất thủy văn, địa chất công trình trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh cho thấy hiện tượng biến dạng thấm do hoạt động của nước dưới đất trong nhiều trường hợp là nguyên nhân chủ yếu gây ra mất ổn định hố móng và các công trình lân cận. Những kiến nghị về điều tra địa chất thủy văn, địa chất công trình và giải pháp khi thi công hố móng hoặc công trình ngầm cũng được đề cập trong báo cáo này

1. Đặt vấn đề

Một trong những vấn đề mang tính thời sự hiện nay trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh là vấn đề ổn định hố móng và công trình lân cận khi thi công các công trình ngầm hoặc phần ngầm của công trình cao tầng. Hiện tượng biến dạng thấm do hoạt động của nước dưới đất trong nhiều trường hợp là nguyên nhân chủ yếu gây ra mất ổn định hố móng và các công trình lân cận.
Vụ sập tòa nhà Viện Khoa học Xã hội khi thi công hố móng công trình xây dựng tòa nhà cao ốc Pacific số 43 - 47 đường Nguyễn Thị Minh Khai [1] hoặc vụ chung cư Nguyễn Siêu lún nứt khi thi công cao ốc Sài Gòn Residences tại phường Bến Nghé, Quận 1 Thành phố Hồ Chí Minh [2] và nhiều vụ lún nứt các công trình trên địa bàn thành phố… có thể là do những nguyên nhân liên quan đến biến dạng thấm của các lớp đất khi thi công công trình ngầm.
Biến dạng thấm là một trong những hiện tượng địa chất động lực công trình. Đây là một trong những hiện tượng liên quan đến hoạt động của nước ngầm đối với các lớp đất có tính chất cơ lý khác nhau đặc biệt là các lớp cát bão hòa nước. Biến dạng thấm có thể được thể hiện bởi các hiện tượng: xói ngầm, cát chảy hoặc bùng nền. Đặc điểm địa chất thủy văn, địa chất công trình khu vực Thành phố Hồ Chí Minh cho thấy khả năng biến dạng thấm mà chủ yếu là hiện tượng cát chảy khi thi công các công trình ngầm cần được quan tâm đúng mức

2. Cơ sở lý thuyết về biến dạng thấm
Tính chất chảy của đất rời bão hòa nước ở trạng thái vận động là hiện tượng cát chảy. Các lớp cát bão hòa nước có thành phần hạt khác nhau, kể các nhóm cát hạt thô cũng có thể xuất hiện hiện tượng này. Qúa trình này càng trở nên nguy hiểm hơn đối nhóm cát hạt mịn có chứa các nhóm hạt bụi, nhóm hạt sét, hạt keo, vật chất hữu cơ có tính chất xúc biến. Tính chất xúc biến của các lớp đất càng rõ ràng thì hiện tượng cát chảy càng thực sự. L.K Tankac chia kiến trúc keo - ngưng tụ thành: cát chảy keo - cát, cát chảy keo - bụi và sét chảy. Đất đá mất đi các liên kết kiến trúc có thể dẫn đến hiện tượng chảy dưới tác dụng của áp lực thủy động. Chuyển động như vậy, theo A.F. Lebedev được gọi là hiện tượng chảy thụ động hoặc chảy thực sự [3].

Những chỉ tiêu đặc trưng cho chảy thụ động là gradien áp lực và độ lỗ hổng của các lớp đất bão hòa. Gradien áp lực giới hạn thể hiện cho giới hạn xảy ra hiện tượng cát chảy được xác định theo công thức sau:

Trong đó: - IK là gradien giới hạn
- γs là khối lượng riêng đất
- e là hệ số lỗ rỗng

Chất keo của cát chảy bao gồm: các vi sinh vật, các chất hữu cơ bị phân hủy và các hạt keo vô cơ
Những nguyên nhân cơ bản gây ra hóa lỏng của đất loại cát là: sự tan rã của cốt đất, vận động của nước ngầm, tác dụng của tải trọng động và sự thay đổi các ứng suất tĩnh gây ra biến dạng lớp đất
Tính chất xúc biến phụ thuộc vào: hàm lượng và thành phần các hạt có tính phân tán cao, hình dạng cấu tạo của các hạt (đặc biệt là khoáng vật sét), các chất hữu cơ, thành phần khoáng hóa của nước lõ hổng, thành phần ion trao đổi....

3. Đặc điểm địa chất thủy văn, địa chất công trình và đánh giá biến dạng thấm
3.1 Đặc điểm địa chất thủy văn
3.1.1 Thành tạo rất nghèo nước tuổi Holocen (Q2)
Thành phần thạch học được phân thành ba nhóm tương ứng với đặc điểm phân bố:
- Sét, bột cát, cát bột lẫn sạn sỏi laterit hoặc thạch anh màu vàng nhạt, xám loang lổ thường phân bố dọc theo các thung lũng sông suối trên địa hình cao >10m ở Củ Chi, Hóc Môn, Thủ Đức.... Bề dày <3,0m. Mực nước thay đổi trong khoảng 0,0  0,4m.
- Bùn sét, bùn cát, sét... màu đen, xám đen, xám xanh, vàng nâu. Bề dày thay đổi rất lớn, nhiều nơi đạt đến xấp xỉ 20,0  25,0m (dọc theo thung lũng các sông lớn phía hạ lưu), thường gặp trong khoảng 5,0  10,0m. Bề dày có xu hướng vát mỏng về phía ranh giới phân bố và tăng về phía hạ lưu các sông suối lớn Củ Chi, Bình Chánh, Cần Giờ...) có khả năng chứa nước.
- Cát mịn lẫn bụi màu trắng, vàng nhạt, tạo thành dạng địa hình giồng cát ven biển Cần Giờ. Bề dày thay đổi trong phạm vi khá lớn từ vài mét đến trên 50m (ở các đỉnh giồng cát). Một số nơi các thể khai thác được nước nhạt bằng các giếng đào hoặc lỗ khoan công suất nhỏ.

3.1.2. Tầng chứa nước lỗ hổng Holocen (qh)
Tầng chứa lỗ hổng trong các trầm tích Holocen trên (qh) bao gồm đất đá của các hệ tầngHệ tầng Bình Chánh (Q21-2bc), Hệ tầng Cần Giờ (Q22-3cg), và các trầm tích có nguồn gốc sông, sông biển, biển tuổi Q23, phân bố ở Hóc Môn, Bình Chánh, Cân Giờ. Độ sâu tới mái thay đổi từ 17,0m (tại LK 821) đến 29,5 m (tại LK 822). Chiều dày trung bình 7,0m. Thành phần thạch học gồm cát mịn lẫn bụi màu trắng, vàng nhạt, tạo thành dạng địa hình giồng cát ven biển (Long Hòa- Cần Giờ)

3.1.3. Thành tạo rất nghèo nước tuổi Pleistocen trên (Q13)
Thành tạo rất nghèo nước tuổi Pleistocen trên gồm phần hạt mịn phía trên của hệ tầng Củ Chi. Bề dày thường gặp trong các lỗ khoan khoảng 5,0  15,0m . Thành phần đất đá chủ yếu là sét, cát sét, cát bột,... màu xám trắng, xám vàng loang lổ đỏ thường bị laterit hóa tạo nên các lớp cứng chắc. Chiều sâu phân bố có xu hướng chìm dần về phía tây - nam hoặc phía nam. Chiều sâu mái trong các lỗ khoan thường gặp 0,00 ÷ 49,00m (trung bình 11,1m), chiều sâu đáy thay đổi trong khoảng 0,07 ÷ 63,90m (trung bình: 19,6m).
Bề dày có xu hướng vát mỏng về phía đông (ranh giới phân bố), tại các lỗ khoan nghiên cứu bề dày thay đổi trong khoảng 0,70 ÷ 37,00m (trung bình: 8,7m). Mực nước tĩnh 0,10 10,80m (trung bình: 2,45m).

3.1.4. Thành tạo rất nghèo nước tuổi Pleistocen giữa - trên (Q12-3tđ)
Thành tạo rất nghèo nước tuổi Pleistocen giữa - trên gồm phần hạt mịn phía trên của hệ tầng Thủ Đức. Bề dày thường gặp trong các lỗ khoan khoảng 5,0  15,0m
Có thể được khai thác nước bằng các giếng đào với lưu lượng nhỏ. Chiều sâu mái trong các lỗ khoan thường gặp 0,00 ÷ 111,00m (trung bình: 26,21m), chiều sâu đáy thay đổi trong khoảng 0,50 ÷ 134,00m (trung bình: 35,33m) và bề dày khoảng 0,50 ÷ 40,00m (trung bình: 9,12m). Mực nước tĩnh: 0,10  9,00m (trung bình: 3,13m).

3.1.5. Tầng chứa nước lỗ hổng Pleistocen trên (qp3)
Tầng chứa lỗ hổng trong các trầm tích Pleistocen trên (viết tắt là qp3) bao gồm đất đá của các hệ tầng Củ Chi, diện tích lộ trên mặt khoảng 252 km2 tại Củ Chi, nội thành. Chúng phủ trực tiếp trên thành tạo rất nghèo nước Q12-3tđ, Q11tb, N22bm, bị phủ bởi thành tạo địa chất rất nghèo nước Q13. Độ sâu mái thay đổi từ 0,0m đến 51,0m, độ sâu tới mái trung bình 25m; bề dày thay đổi từ 4,0m đến 61,0m, bề dày trung bình 41m. Thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn đến trung, đôi chỗ thô, cát bột, bột cát… phân lớp, màu trắng, xám trắng, xám vàng đôi khi có lẫn sạn sỏi.

3.1.6. Tầng chứa nước lỗ hổng tuổi Pleistocen giữa - trên (qp2-3)
Tầng chứa lỗ hổng trong các trầm tích Pleistocen giữa - trên bao gồm các đất đá của hệ tầng Thủ Đức, lộ ra trên mặt ở Thủ Đức, phía đông Củ Chi (gần sông Sài Gòn...) với diện tích 57 km2. Chúng phủ trực tiếp trên thành tạo rất nghèo nước N22bm và bị phủ bởi thành tạo không chứa nước Q12-3tđ. Độ sâu tới mái thay đổi trong khoảng 0,0 ÷ 94,0 m, độ sâu tới đáy từ 26,0 tới 127,0m và bề dày thay đổi trong khoảng 2,0 ÷ 62,3 m, chiều dày trung bình 23,5m Thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn đến thô, cát bột, bột cát… tùy nơi màu xám trắng, xám vàng, đỏ nâu loang lổ đôi khi có lẫn sạn sỏi. Thường có các thấu kính bột, bột sét, sét…

3.1.7. Thành tạo không chứa nước tuổi Pleistocen dưới (Q11tb)
Thành tạo rất nghèo nước tuổi Pleistocen dưới gồm phần hạt mịn phía trên của hệ tầng Đất Cuốc. Bề dày thường gặp trong các lỗ khoan khoảng 5,0  15,0m .
Thành phần đất đá chủ yếu là sét, cát sét, cát bột,... màu xám trắng, nâu đỏ, xám vàng loang lổ đỏ thường bị laterit hóa tạo nên các lớp cứng chắc. Chiều sâu mái trong các lỗ khoan thường gặp 0,00 ÷ 157,00m (trung bình: 53,30m), chiều sâu đáy thay đổi trong khoảng 0,50 ÷ 179,00m (trung bình: 67,90m) và bề dày khoảng 0,50 ÷ 63,00m (trung bình: 10,50m). Mực nước tĩnh: 1,10  7,20m (trung bình: 4,08m)

3.1.8. Tầng chứa nước lỗ hổng tuổi Pleistocen dưới (qp1)
Tầng chứa lỗ hổng trong các trầm tích Pleistocen dưới bao gồm đất đá của hệ tầng Trảng Bom. Diện tích phân bố 1829 km2, không lộ ra trên mặt. Phủ trực tiếp trên thành tạo không chứa nước N22bm hoặc tầng chứa nước khe nứt. Chiều sâu tới mái tầng chứa nước thay đổi trong khoảng 38,0 ÷ 140,0m, chiều sâu tới đáy từ 42,0 đến 151,0m và bề dày thay đổi trong khoảng từ 2,8 ÷ 60,7m (trung bình 29,8m). Thành phần thạch học chủ yếu là cát mịn, mịn đến thô có lẫn sạn sỏi phân lớp và phân nhịp khá dày màu vàng, vàng nâu, trắng xám. Thường xen kẹp thấu kính cát bột, bột sét. bột cát.

3.1.9. Tầng chứa nước lỗ hổng tuổi Pliocen trên (n22)
Tầng chứa lỗ hổng trong các trầm tích Pliocen trên (viết tắt là n22) bao gồm đất đá của hệ tầng Bà Miêu, lộ ra trên mặt khoảng 16 km2 ở phía đông Củ Chi. Phủ trực tiếp trên thành tạo chứa nước chứa nước N21nb và phần rìa lại phủ trên các tầng chứa nước khe nứt Mezozoi. Bị thành tạo địa chất không chứa nước N22bm phủ ở phía trên. Chiều sâu gặp mái tầng chứa nước thay đổi từ 54,5m đến 168,0m, chiều sâu gặp đáy trong khoảng từ 67,0m đến 212mm, chiều dày thay đổi từ 7,0 đến 72 m (trung bình 33,4m).
Thành phần thạch học chủ yếu là cát trung, mịn - trung đến thô có lẫn sạn sỏi màu vàng, vàng nâu, nâu đỏ, xám xanh, trắng xám phân lớp, phân nhịp khá rõ. Thường xen kẹp thấu kính cát bột, bột sét. bột cát.

3.2 Đặc điểm địa chất địa chất công trình
3.2.1 Phức hệ thạch học bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha nguồn gốc sông biển đầm lầy tuồi Holocen ( ambCOQ22)
Các tính chất cơ lý của lớp đặc trưng bởi: Độ ẩm rất lớn, trung bình từ 64,0 - 92,3%; độ bão hoà từ 92 - 97%, dung trọng tự nhiên từ 1,41 - 1,57g/cm3. Khu vực Nhà Bè, Duyên Hải lớn hơn do sự tăng cường của hàm lượng hạt thô (thường từ 1,48 - 1,64g/cm3). Khối lượng thể tích cốt đất trung bình từ 0,73 - 0,90g/cm3.
Bảng 1. Các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất cơ lý của kiểu thạch học bùn cát pha thuộc phức hệ