Rung chấn do hoạt động thi công xây dựng, kết quả thực nghiệm đo rung chấn xác định bán kính ảnh hưởng đến công trình lân cận

TS. Nguyễn Lan PGS. TS. Hoàng Phương Hoa Trường Ðại học Bách khoa - Ðại học Ðà Nẵng ThS. Thái Hoàng Ân Ban Quản lý các dự án đầu tư TP. Bến Tre Người phản biện: TS. Trần Đình Quảng PGS. TS. Châu Tường Linh

TÓM TẮT: Hoạt động thi công xây dựng công trình xây dựng như lu nền mặt đường, khoan cọc nhồi, nổ mìn thi công hầm, đóng cọc vòng vây thép, thi công cọc cát đầm xử lý nền đất yếu… gây lan truyền sóng chấn động trong nền đất ảnh hưởng đến các công trình xung quanh. Nếu cường độ sóng lan truyền lớn có thể gây hư hại các công trình gây ra những tranh chấp giữa cộng đồng dân cư khu vực xây dựng và chủ dự án. Để xác định bán kính rung động có thể gây hư hỏng các công trình lân cận đối với từng nguồn gây rung làm cơ sở cho qui hoạch, lựa chọn công nghệ thi công, thiết kế biện pháp giảm chấn nhằm giảm thiểu rủi ro cho các công trình xung quanh. Bài báo giới thiệu tổng quan về sự lan truyền sóng trong nền đất do các hoạt động thi công xây dựng, các yêu cầu giới hạn về mức độ rung chấn ảnh hưởng đến công trình lân cận, phương pháp, thiết bị đo đạc rung chấn và nhiều kết quả thực nghiệm đo đạc rung chấn các dự án xây dựng công trình đã thực hiện tại khu vực miền Trung Việt Nam trong thời gian gần đây.

TỪ KHÓA: Vận tốc đỉnh chất điểm (PPV), hoạt động thi công xây dựng, rung động, lan truyền sóng, kết quả thực nghiệm.

Abstract: Construction activities as embankment vibratory roller, pile drilling, tunneling and blasting, piling, construction sand pile for improvement soft soil... causing wave propagation in the ground and  affect to surrounding buildings. If large wave strength may cause damage to the surrounding buildings and causing disputes between residential community and and project owners. To determine the effective radius can cause damage to the neighboring buildings by causes vibration as the basis for planning, choice of construction method, design damping measures to minimize the risk to the public around, the need for experimental vibration measurements in the field. This paper introduces an overview of wave propagation in the ground due to the construction activities, the limit of vibration velocity affecting neighboring buildings, methods and instrumentation for vibration measure and  experimental results of some  construction projects at the Central region of Vietnam in recent times.

Keywords: Peak particle velocity (PPV), construction activities, vibration, wave propagation, experimental results. 

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhiều hoạt động thi công xây dựng công trình như: Đóng cọc, khoan cọc, lu nền đường, khoan nổ mìn đường hầm (nguồn rung)… gây sóng lan truyền trong nền đất tác động lên công trình và con người sống xung quanh khu vực thi công. Biên độ sóng lan truyền lớn có thể làm hư hỏng công trình lân cận nên cần được hạn chế bằng cách lựa chọn công nghệ/thiết bị thi công phù hợp hoặc sử dụng các biện pháp giảm chấn động do sóng lan truyền trong nền đất.

Thực tế xây dựng các dự án lớn những năm qua ở khu vực miền Trung  như: Dự án nút giao ngã ba Huế, đường vành đai phía Nam TP. Đà Nẵng, đường Nguyễn Tất Thành nối dài, đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi, mở rộng QL1 qua các tỉnh miền Trung đã có nhiều tranh chấp giữa người dân và chủ đầu tư về vấn đề rung chấn do thi công gây hư hại nhà dân xung quanh. Sự tranh chấp này làm cản trở hoạt động thi công gây kéo dài tiến độ và tạo dư luận xã hội không tốt cho dự án [2].

 Các loại sóng cơ bản truyền từ nguồn rung vào nền đất cách nguồn rung một khoảng cách bao gồm: Sóng Rayleigh(R); sóng cắt (S) và sóng nén (P). Nhìn chung, có thể chia thành hai loại sóng: Sóng khối - lan truyền trong khối đất và sóng mặt - lan truyền trong phần trên mặt đất. Các loại sóng tạo ra sự chuyển động các hạt đất khác nhau khi chúng đi qua, do đó kết cấu sẽ bị biến dạng khác nhau ứng với từng loại sóng.

 Sóng P, sóng S và sóng R di chuyển với tốc độ khác nhau. Sóng P đi nhanh nhất, sau đó là sóng S và sóng R. Dọc theo mặt đất, sóng P và sóng S tiêu tán nhanh hơn sóng R. Do đó, sóng R gây xáo trộn lớn nhất ở mặt nền và có thể nhận biết rõ ràng từ một khoảng cách xa nguồn rung. Ví dụ, sóng R chiếm 67% tổng năng lượng sóng S chiếu 26% và sóng P chiếm 7% khi lực kích thích tác động thẳng góc với phương truyền sóng (Richart et al 1970).

Có nhiều công thức thực nghiệm đã được đề xuất để mô tả sự suy giảm sự lan truyền sóng chấn động trong nền đất cho các trường hợp xác định. Phương pháp tỷ lệ theo khoảng cách được giới thiệu theo công thức 1 được sử dụng rộng rãi cho hoạt động nổ mìn và đóng cọc (Svinkin 1999 and Wiss 1981) [5, 6].

 

 

 

Trong đó: V - Vận tốc chất đỉnh tại điểm cách khoảng R từ nguồn rung; W - Năng lượng của nguồn gây rung; k và n - Các tham số thực nghiệm xác định từ đồ thị quan hệ V và R trên trục logarit.

Wiss (1981) cho rằng, k và n là cố định cho mỗi tổ hợp nguồn rung và loại đất. Phương pháp này không thể sử dụng mà không dùng các số liệu đo đạc chi tiết tại hiện trường.

Nhiều bản cập nhật phương pháp này đã được đề xuất, ví dụ: New (1986) [3], Svinkin (1999) [5] và Hanson và các đồng nghiệp (2006) cho nhiều loại công nghệ hạ cọc và nổ mìn khác nhau. Nói chung, các phương pháp này là không phù hợp để dùng đánh giá sự rung động do các nguồn rung khác nhau nếu như không tìm hiểu kỹ về mức độ năng lượng tại nguồn rung.

Nhận thức và phản ứng với rung động mặt đất con người rất khác nhau. Nó phụ thuộc vào độ nhạy cảm cá nhân, tần số, vận tốc đỉnh chất điểm (PPV), thời gian và nhiều yếu tố khác. Có nhiều tiêu chuẩn đã thiết lập các mức rung giới hạn để không ảnh hưởng đến con người như BS 6472-1:2008 hoặc QCVN 27:2010/BTNMT. Bảng 1.1 giới thiệu giá trị cho phép mức gia tốc rung theo Quy chuẩn Việt Nam.

Bảng 1.1. Giá trị cho phép mức gia tốc rung đối với hoạt động xây dựng (QCVN 27:2010/BTNMT)

TT	Khu vực	Thời gian áp dụng trong ngày	Mức gia tốc rungcho phép, dB
1	Khu vựcđặc biệt	6 giờ - 18 giờ	75
		18 giờ - 6 giờ	Mức nền
2	Khu vựcthông thường	6 giờ - 21giờ	75
		21 giờ – 6 giờ	Mức nền

Nhiều quốc gia trên thế giới đã ban hành các tiêu chuẩn để đánh giá ảnh hưởng của rung động lên các công trình lân cận. Các tiêu chuẩn sau đây hướng dẫn phù hợp nhất cho việc đánh giá khả năng hư hỏng công trình lân cận do các hoạt động thi công xây dựng.

- Tiêu chuẩn Đức: DIN 4150-3:1999 “Dao động kết cấu, phần 3 - Ảnh hưởng của dao động lên kết cấu”;

- Tiêu chuẩn Anh quốc: BS 7385-2:1993 “Đánh giá và đo đạc dao động trên công trình, phần 2 - Hướng dẫn đánh giá các mức hư hỏng do dao động nền đất”;

- Tiêu chuẩn Thụy Điển: VSS-SN640-321a:1992 - Ảnh hưởng dao động lên công trình xây dựng.

Bảng 1.2.Đánh giáảnh hưởng daođộng nềnđất lêncông trìnhtheo Tiêuchuẩn DIN 4150

 

Loại kết cấu	Ngưỡng vận tốc dao động làm hư hỏng kết cấu, PPV (mm/s)
	Nguồn rung ngắn hạn				Nguồn rung dài hạn
	Ở móng			Ở mặt trên sàn	Ở mặt trên sàn
	0 - 10  Hz	10 - 50 Hz	50 - 100 Hz	Tất cả các tần số	Tất cả các tần số
Trung tâm thương mại/ công nghiệp	20	20 - 40	40 - 50	40	10
Nhà ở	5	5 - 15	15 - 20	15	5
Công trình lịch sử/ nhạy cảm với dao động	3	3 - 8	8 - 10	8	2.5

Chú ý: Vận tốc giới hạn tăng tuyến tính với tần số dao động

2.  THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BÁN KÍNH ẢNH HƯỞNG DO RUNG CHẤN

Hệ thống thiết bị đo rung động thường bao gồm: Các cảm biến rung (transducers), hệ thống thu thập tín hiệu dao động (dattalogger) và phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu dao động (software). Việc lựa chọn loại cảm biến rất quan trọng để đánh giá đúng sự dao động. Thông thường cảm biến đo rung chia thành hai nhóm: Cảm biến vận tốc (geophone) sử dụng rộng rãi trong đo đạc dao động kết cấu và cảm biến gia tốc (accelerometer). Yêu cầu về thiết bị theo TCVN 7378 như sau: Khoảng tần số 1 Hz-100 Hz, độ không tuyến tính 10%; khoảng vận tốc 0,01mm/s - 500mm/s.

Để phụ vụ việc đo rung chấn nền đất, tác giả đã thiết kế một hệ thống đo rung chấn theo sơ đồ khối Hình 2.1. Giao diện của chương trình đo rung được giới thiệu trong Hình2.2.

Hình 2.1:  Sơ đồ khối hệ thống thiết bị đo rung động nền đất

Hình 2.2:  Giao diện chương trình đo rung chấn nền đất

Trình tự xác định quan hệ giữa bán kính R(m) - khoảng cách từ nguồn rung đến điểm xem xét và vận tốc rung PPV (mm/s) tương ứng với một loại nguồn gây rung và điều kiện địa chất nền như sau:

- Khảo sát, lựa chọn vị trí đo đạc: Đảm bảo điển hình cho khu vực địa chất nền, thuận lợi cho bố trí các cảm biến (thường từ 3 đến 6 điểm) cách từ nguồn rung từ 5 - 10m cho đến điểm xa nhất là điểm dự báo vận tốc rung đã suy giảm gần về không theo phân tích dự báo hoặc kinh nghiệm;

- Đo đạc và bố trí các điểm đo: Cảm biến geophone mỗi điểm gồm 2 loại theo phương bán kính (kí hiệu Ri) và phương đứng (ký hiệu Vi), cảm biến gắn trên cọc thép đã đóng chặt vào nền trước đó;

- Nối dây hệ thống các cảm biến vào datalogger và nối datalogger vào máy tính laptop có phần mềm kết nối thiết bị đo, thu thập tín hiệu đo và hiển thi kết quả đo rung theo thời gian thực trên màn hình. Dữ liệu đo rung được lưu ra file text hoặc excel để xử lý sau;

- Vận hành nguồn gây rung đúng như các thiết bị đã dùng thi công cho dự án với các thế tải (cách vận hành) khác nhau; mỗi thế tải ghi lại dữ liệu rung, sau đó xử lý để tìm thế tải bất lợi nhất cho mỗi loại nguồn rung;

- Tương ứng với mỗi điểm đo ta có được cặp trị số Vi (mm/s)-Ri (m). Từ số liệu các điểm đo (Vi,Ri) ta xây dựng đường cong quan hệ V-R tương ứng cho mỗi loại nguồn rung;

- Căn cứ tiêu chuẩn giới hạn vận tốc rung không gây hư hại đến công trình xung quanh và đường cong quan hệ thực nghiệm V-R, xác định được bán kính ảnh hưởng đến công trình do rung R_eff . Công trình nằm cách xa nguồn rung khoảng cách lớn hơn R_eff xem như không bị ảnh hưởng do rung chấn.

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí đầu đo dao động trên mặt đất tại hiện trường do rung ép cọc ván dự án chống bồi lắng cát tại cửa sông Phú Lộc, TP.ĐàNẵng [2]

Hình 2.4: Quan hệ thực nghiệm giữa vận tốc dao động lớn nhất khi búa rung hoạt động dự án chống bồi lắng cát tại cửa sông Phú Lộc, TP.ĐàNẵng [2]

3. KẾT QUẢ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ DỰ ÁN XÂY DỰNG

Hệ thống tự thiết kế đã được ứng dụng cho đo rung chấn và xác định bán kính ảnh hưởng đến các công trình xung quanh được tổng hợp ở Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả đo rung chấn một số dự án do nhóm nghiên cứu thực hiện gần đây

4. KẾT LUẬN

Hệ thống thiết bị, phần mềm đo rung chấn nền đã thiết kế gồm các cảm biến geophone+NI9205+phần mềm viết trên Labview đã xây dựng đáp ứng được các yêu cầu về thiết bị và đo đạc rung chấn theo các tiêu chuẩn DIN 4150, TCVN 7378.

Qua các số liệu thực nghiệm từ các dự án, cho thấy quy luật lan truyền sóng rung chấn do các hoạt động thi công xây dựng phụ thuộc đặc tính nguồn gây rung. Phương thức vận hành thiết bị (nguồn rung), điều kiện địa chất khu vực… Các đặc trưng động học của nền đất là khá phức tạp, do đó để xác định bán kính ảnh hưởng R_eff của một nguồn rung tương ứng với điều kiện nền đất cụ thể cần phải thực nghiệm đo đạc rung chấn mới xác định được quy luật suy giảm vận tốc rung theo khoảng cách đến nguồn rung tin cậy hơn.

Các số liệu đã thực nghiệm tại các dự án có thể tham khảo để đánh giá sơ bộ bán kính ảnh hưởng khi nguồn rung và điều kiện địa chất là tương tự với dự án đã thực nghiệm.

Một phương pháp dự báo quy luật lan truyền rung chấn nền đất do hoạt động thi công xây dựng có độ tin cậy phù hợp là khá khó khăn và cần tiếp tục được nghiên cứu.

Tài liệu tham khảo

[1]. TCVN 7378 2004, Rung động và chấn động - Rung động đối với công trình Mức rung - giới hạn và phương pháp đánh giá.

[2]. Trung tâm KHCN & Tư vấn đầu tư - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Các báo cáo đo rung chấn các dự án xây dựng từ năm 2014 - 2016.

[3]. New Zealand Transport Agency research report 485, Ground vibration from road construction, May 2012.

[4]. BS 7385-2:1993, Evaluation and measurement for vibration in buildings - part 2: Guide to damage levels from ground-borne vibration, British Standards Institution.

[5] Svinkin, MR (1999), Prediction and calculation of construction vibrations, Proceedings 29th Annual Members Conference Deep Foundations Institute, Dearborn MI: 1-22, Accessed 30 April 2008, www.vulcanhammer.net/svinkin/prediction.php.

[6] Wiss, JF (1981), Construction vibrations: state-of-the-art, Journal of the Geotechnical Engineering Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers 107, no. GT2.