Mối quan hệ giữa các công nghệ xây dựng Metro, hầm mỏ, thủy điện, công trình quân sự và nhà máy điện hạt nhân
Việt Nam và các nước trên thế giới đều phải phát triển công nghệ xây dựng các công trình trọng điểm: Metro, hầm mỏ, thủy điện, công trình quân sự và nhà máy điện hạt nhân.
Tại Việt Nam, chiều 30/11/2024, tại phiên bế mạc của Kỳ họp thứ 8, Quốc hội khóa XV, Quốc hội đã quyết nghị tái khởi động lại Dự án Nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận. Từ nay đến năm 2035, TP.HCM tiếp tục triển khai 7 tuyến Metro với chiều dài gần 200 km và dự kiến bổ sung quy hoạch phát triển 510 km vào năm 2060. Mục tiêu này đặt ra yêu cầu cần có cách làm mới đối với các dự án Metro.
Theo Quy hoạch chung xây dựng Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 tầm nhìn đến năm 2050, được phê duyệt tại Quyết định số 1259/QĐ-TTg ngày 26/7/2011, mạng lưới đường sắt đô thị gồm 8 tuyến với tổng chiều dài khoảng 318 km.
Các dự án phát triển mỏ than hầm lò trọng điểm, gồm: Dự án khai thác xuống sâu dưới mức -220 mỏ Bình Minh, Dự án khai thác hầm lò phần mở rộng Hà Ráng, Dự án khai thác lộ thiên tối đa và kết hợp cải tạo phục hồi môi trường mỏ Suối Lại - Công ty Than Hòn Gai, Dự án khai thác hầm lò khu Tân Yên - mỏ Đông Tràng Bạch - Công ty Than Uông Bí.
Các công trình thủy điện đã và đang xây dựng: Thủy điện Hòa Bình, Thủy điện Ialy... (Hình 1,2)
Các công trình quốc phòng: hầm ngầm tàu chiến, hầm tàu ngầm ở nước ngoài, theo báo Anh Express, pháo đài ngầm bí mật của Thụy Điển ở Muskö, cách Stockholm 40 km, có một bến tàu là nơi trú ẩn của các tàu chiến trong trường hợp chiến tranh hạt nhân nổ ra. Căn cứ tối mật nói trên được hoàn thành vào năm 1969 đã không hoạt động trong 25 năm nhưng Thụy Điển vừa quyết định hồi sinh pháo đài lót đá granit trong khi tái cơ cấu hệ thống phòng thủ của nước này. Tuy nhiên, do Muskö đã bị bỏ hoang nên cần phải mất vài năm để căn cứ này được hiện đại hóa và cải tạo toàn diện trở lại. (Hình 3,4)
Trung Quốc có xu hướng xây dựng trực tiếp vào các mỏm đá có thể cung cấp nhiều lớp bảo vệ trên cao. Lối vào thường hướng vào đất liền (nhưng có đường dẫn nước) nên khó bị tấn công từ ngoài khơi. Nổi tiếng nhất trong số các đường hầm này là hai đường hầm bảo vệ lực lượng tàu ngầm chiến lược. Một chiếc được xây dựng tại Jianggezhuang (36° 6'20,76 "N, 120° 35'2,39" E) gần Thanh Đảo cung cấp nơi ẩn náu cho các tàu ngầm tên lửa đạn đạo đóng tại đó…
Như vậy, các công nghệ xây dựng với các công trình trọng điểm dường như có các mục đích khác nhau, nhưng nhìn chung lại đều xây dựng bên trên và vào trong lòng đất/đá. Các công trình trên đều có công năng khác nhau nhưng tuổi thọ yêu cầu cao. Các nhà máy điện hạt nhân đòi hỏi thời gian vận hành lên đến hàng trăm năm hoặc yêu cầu về bể chứa chất thải phóng xạ đòi hỏi hàng vạn năm. Nếu chia ra từng công trình, thì đòi hỏi lực lượng nghiên cứu cũng như công nghệ rất lớn, trong khi Việt Nam chưa làm chủ được các công nghệ quan trọng này. Một trong những công nghệ quan trọng đều sử dụng khi xây dựng, bảo trì các công trình này là tính chất lưu biến hay già hóa của đất/đá và các loại vật liệu [4, 5, 6].
Trong quá trình khai thác và sử dụng công trình có nhiều hư hỏng do tính toán, thiết kế không kể đến các tham số lưu biến của mẫu đất, đá và các loại vật liệu khác. Lưu biến gồm hai quá trình cơ bản: từ biến và chùng ứng suất. Từ biến được thí nghiệm bằng cách chất tải lên mẫu với một tải trọng không đổi theo thời gian σ = σ0 = const và ghi lại biến dạng tăng dần. Chùng ứng suất được thí nghiệm bằng cách giữ nguyên biến dạng không đổi theo thời gian ε = ε0 = const và ghi lại ứng suất giảm dần. Ngoài hai hiện tượng: từ biến và chùng ứng suất, quá trình lưu biến của vật liệu còn sử dụng khái niệm “độ bền lâu dài” (giới hạn bền dài lâu) của vật liệu được xử lý từ kết quả hai thí nghiệm trên ở các giai đoạn chất tải khác nhau [1, 2, 3]. (Hình 5)
Đoạn OA tương ứng với giai đoạn biến dạng tức thời ban đầu. Tùy thuộc vào giá trị tác dụng của tải trọng, giai đoạn này có thể mang đặc tính đàn hồi.
Đoạn AB tương ứng với giai đoạn lưu biến không ổn định. Tại giai đoạn này, biến dạng của đá mang tính chất biến dạng đàn hồi cũng như biến dạng không thuận nghịch.
Đoạn BC tương ứng với giai đoạn lưu biến ổn định hay giai đoạn lưu biến có tốc độ biến dạng không đổi.
Đoạn CD đặc trưng bởi đặc tính gia tăng tốc độ biến dạng do sự phát triển mạnh mẽ của quá trình hình thành nứt nẻ. Giai đoạn này kết thúc bằng sự phá hủy hoàn toàn của mẫu đá.
Chùng ứng suất là sự suy giảm ứng suất trong vật liệu khi biến dạng được duy trì theo thời gian mà trường hợp đặc biệt là biến dạng không đổi. Có thể thấy, từ biến và chùng ứng suất xảy ra đồng thời trong khối đá làm việc dài hạn. Từ biến và chùng ứng suất là hai mặt của một tính chất trong mẫu đá/khối đá. (Hình 6)
Khả năng mang tải giảm dần, biến dạng tăng dần của các loại đất/đá và vật liệu gọi là quá trình lưu biến hoặc già hóa. Ngoài ra, khi chịu tác động của yếu tố nhiệt tỏa ra từ các lò phản ứng hạt nhân cũng đòi hỏi các cấu kiện bao phủ: bê tông, vỏ bọc cũng bị già hóa theo thời gian. Quy trình thí nghiệm, xử lý các số liệu này đòi hỏi các chuyên gia am hiểu về kỹ thuật thu thập giữ liệu, gia tải.
Công trình: Metro, hầm mỏ, thủy điện, công trình quân sự, nhà máy điện hạt nhân đều liên quan mật thiết với công nghệ lưu biến hay già hóa vật liệu trên:
Metro trong quá trình xây dựng cần kiểm soát quá trình biến dạng và mở rộng phễu lún. Khi sử dụng cần quan tâm già hóa của đất/đá xung quanh và vật liệu chống đỡ để kiểm soát ổn định công trình.
Hầm mỏ: do hiện tượng nén ép, giá hóa đất đá xung quanh và vật liệu chống đỡ làm sệ lò, hư hỏng, tăng khối lượng xén lò - đào lò, tăng chi phí xây dựng, bảo trì.
Thủy điện: cần tính toán, kiểm soát quá trình già hóa đất/đá (giống Metro).
Công trình quân sự: hầm tàu ngầm, tàu chiến cũng cần kiểm soát quá trình già hóa vật liệu để đảm bảo ổn định.
Nhà máy điện hạt nhân: ngoài quá trình già hóa vật liệu cần kiểm soát quá trình lưu biến nhiệt, phức tạp hơn các công trình trên.
Như vậy, tùy mục đích khác nhau nhưng công nghệ xây dựng và kiểm soát ổn định các công trình trên đều liên quan mật thiết tới công nghệ nghiên cứu lưu biến của vật liệu. Công nghệ lưu biến còn ảnh hưởng đến nhiều công trình, kỹ thuật khác trong đời sống của con người.
Kết luận
Công nghệ lưu biến được thế giới tổng kết và đưa vào nghiên cứu ở nhiều nước. Trong nội dung bài báo, tác giả đã tập hợp và thống kê ứng dụng vào các công trình xây dựng. Đây là kết quả sau nhiều năm nghiên cứu, tổng hợp để có cái nhìn toàn diện hơn về công nghệ xây dựng và làm chủ không gian ngầm.
Những ứng dụng và thiết bị nghiên cứu công nghệ lưu biến cũng chưa phổ biến. Để hoàn thiện và ứng dụng công nghệ này trong đời sống, cần đầu tư nghiên cứu, tạo điều kiện phát triển bền vững cho đất nước.
Tài liệu tham khảo:
1. Trần Tuấn Minh. Cơ học đá, NXB Xây dựng, 2016.
2. Võ Trọng Hùng. Cơ học đá, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005.
3. Nguyễn Huy Hiệp (2021). Báo cáo kết quả đề tài Tổng cục Hậu cần: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp số tính toán các bài toán địa kỹ thuật. Mã số TCHC.2021.01.
4. Н. С. Булычёв (1994), Механика подемных сооружений, Недра.
5. Э.В. Каспарьян (1985), Устойчивость горных выработок в скальных породах, Лениград издатеьство - Недра, Лениградское отделение.
6. И.Е.Прокопович, В.А.Зедгенидзе (1980), Прикладная теория ползучести, москва стройиздат.
