Reinforcing methods for slopes along Halong – Vandon expressway: applications and lessons
Đỗ Tuấn Nghĩa
Trường Đại học Thủy lợi. E-mail: [email protected]
Nguyễn Châu Lân
Trường Đại học Giao thông Vận tải. E-mail: [email protected]
Tóm tắt
Nghiên cứu này tổng hợp và phân tích các giải pháp gia cố mái dốc dọc cao tốc Hạ Long-Vân Đồn. Các mái dốc được xét đến bao gồm cả mái dốc đất và mái dốc đá. Với mái dốc đất, giải pháp neo ứng lực trước và tường chắn đất có cốt được khảo sát trong khi với mái dốc đá, hệ lưới chắn đá rơi chủ động và bị động được trình bày. Kết quả nghiên cứu cho thấy giải pháp neo dự ứng lực phù hợp với mái dốc đất có khối trượt lớn với mặt trượt sâu trong khi giải pháp tường chắn đất có cốt phù hợp với khối trượt trung bình và cần lưu ý ổn định mái dốc khi thi công. Với mái dốc đá, hệ lưới chắn đá rơi chủ động có khả năng ngăn đá lăn, đá rơi tốt nhưng cần được bố trí đầy đủ trong các khu vực tiềm ẩn nguy cơ đá rơi. Ngược lại, hệ lưới chắn đá rơi bị động không cần bố trí hết chiều cao của mái đá nhưng cần được duy tu, bảo trì, và dọn đá thường xuyên.
Giới thiệu
Tuyến cao tốc Hạ Long – Vân Đồn được thi công từ tháng 9/2015 tới tháng 12/2018. Dọc tuyến cao tốc đã có rất nhiều điểm sạt lở đã xảy ra. Do điều kiện địa hình, địa chất, và thủy văn thay đổi nhanh cũng như sự phân cắt của địa hình mạnh với góc nghiêng của các mái dốc tương đối lớn, nên các tai biến địa chất xảy ra rất đa dạng như trượt đất, sụt lở, xói sụt, đá lở, đá lăn (theo phân loại của TCVN 13346-2021). Vì vậy, rất nhiều giải pháp gia cố khác nhau đã được sử dụng. Thông thường, mỗi vị trí mái dốc cần gia cố sẽ được áp dụng tổng hợp các giải pháp theo trình tự ưu tiên sau: (1) Cắt đất, hạ tải, tạo cơ trên mái dốc; (2) Hạ mực nước ngầm bằng ống thoát nước sâu từ 10 m đến 30 m trong mái dốc; (3) Giải pháp phi công trình như rọ đá, tường có cốt, ô địa kỹ thuật, v.v.; (4) Giải pháp công trình như tường chắn bê tông cốt thép, đinh đất, đinh đá, neo dự ứng lực, v.v.
Trong nghiên cứu này, việc áp dụng các giải pháp gia cố cho 2 loại mái dốc đất và đá sẽ được tổng hợp và trình bày. Tác giả sẽ tập trung vào phân tích và đánh giá mức độ thành công của các giải pháp nhằm rút ra bài học cho các trường hợp tương tự. Các bài học này sẽ giúp ích cho việc thiết kế gia cố mái dốc ở các trường hợp tương tự, đặc biệt trong điều kiện đất nước đang đẩy nhanh phát triển cơ sở hạ tầng.
Giải pháp gia cố mái dốc đất
Giải pháp đinh đất và neo dự ứng lực
Hình 1 trình bày một trường hợp mái dốc đất bị sụt lở tại km 27+900 (trái tuyến) trên cao tốc Hạ Long – Vân Đồn (Nguyễn và nnc, 2020). Khối sụt có chiều cao gần 100 m và bề rộng khoảng 70 m. Vách sụt chính trên đỉnh lớn nhất là 3,5 m và các vách sụt phụ có chiều cao 1,2 m. Sụt lở đã kéo theo gần 70.000 m3 đất đá tràn xuống lòng đường. Ta có thể quan sát thấy nước trong khối đất thoát ra tại phía chân mái dốc.

Mặt cắt địa chất được trình bày trong Hình 2 qua 4 lỗ khoan LK1, LK2, LK3, và LK4. Về cơ bản, lớp 1b xuất hiện ở bề mặt mái dốc với bề dày dao động từ 5 m tới 25 m. Đây là sét ít dẻo, cát sét, dăm sạn lẫn sét màu sắc loang lổ xám vàng, xám nâu, nâu đỏ, xám trắng, xám đen; trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng; đôi chỗ xen kẹp vỉa đá cát kết, bột kết, sét kết phong hóa mạnh, đá mềm bở. Lớp này là sản phẩm của quá trình phong hóa hoàn toàn đến mạnh của đá cát kết, bột kết, sét kết, đá vôi, tuổi Đệ tứ (edQ). Lớp bên dưới là lớp 2a (dăm sạn màu xám nâu, nâu đỏ lẫn sét ít dẻo, là sản phẩm phong hóa mạnh, nứt nẻ đặc biệt mạnh của đá cát bột kết, trạng thái xốp – chặt vừa). Lớp này phân bố cục bộ trong khu vực khảo sát, gặp tại lỗ khoan LK3 từ độ sâu 24,5 m đến 29,6 m với chiều dày 5,1 m và LK1 từ độ sâu 16,8 m đến 21,0 m với chiều dày 4,2 m. Đặc biệt, lớp 2b (sét ít dẻo màu nâu vàng, trạng thái dẻo chảy đến chảy, là sản phẩm phong hóa hoàn toàn của đá vôi, nằm ngay trên bề mặt đá vôi) xuất hiện phía dưới lớp 1b. Đây là lớp đất yếu nằm sâu tại lỗ khoan LK2 từ độ sâu 29,0 m đến 32,5 m với chiều dày 3,5 m và tại lỗ khoan LK3 từ độ sâu 29,6 m đến 30,0 m với chiều dày 0,4 m. Đây là lớp đất yếu có thể gây ra mất ổn định tổng thể của mái dốc. Phía dưới các lớp đất là lớp 3 (đá cát kết, bột kết, sét kết phong hóa mạnh – vừa, nứt nẻ mạnh, đá khá mềm bở, đôi chỗ xen kẹp sét ít dẻo, cát sét, dăm sạn lẫn sét, tảng đá vôi, nhiều chỗ nứt nẻ đặc biệt mạnh thành dăm sạn). Lớp 3 thuộc hệ tầng Hòn Gai, tuổi Trias (T3n-r hg). Phân bố không đều trong khu vực khảo sát, gặp tại LK3 từ độ sâu 3,0 m đến 24,5 m với chiều dày 21,5 m và LK4 từ độ sâu 6,0 m đến 23,2 m với bề dày 17,2 m. Lớp 4 nằm dưới cùng của mặt cắt địa chất là đá vôi màu xám xanh, xám đen, phong hóa vừa, nứt nẻ vừa, đá cứng chắc, cấu tạo khối, tỷ lệ thu hồi mẫu TCR>80%, RQD>70%, thuộc hệ tầng Cát Bà, tuổi Carbon (C1cb). Lớp này phân bố tại tất cả các hố khoan. Độ sâu gặp lớp biến đổi mạnh từ 9,5m (LK5) đến 32,5m (LK2).
Do đây là khối trượt lớn, mặt trượt dự kiến nằm sâu trong phạm vi các lớp đất nên giải pháp thiết kế được đưa ra như sau (Hình 3): (1) Cắt đất, hạ tải, tạo 10 cơ trên mái dốc với chiều cao trung bình 8 m; (2) Hạ mực nước ngầm bằng ống thoát nước sâu từ 20 m đến 30 m trong mái dốc; (3) Neo dự ứng lực loại 4 tao 12,7 mm dài từ 15 m tới 35 m kết hợp hệ khung dầm bê tông cốt thép 30×30 cm. Nguyên lý thiết kế là sử dụng ứng lực trước trong neo để làm tăng ma sát giữa khối trượt với địa tầng phía dưới dọc theo cung trượt, qua đó làm tăng khả năng ổn định mái dốc. Kết quả phân tích ổn định cho thấy hệ số ổn định tổng thể của mái dốc sau gia cố là 1,45 > 1,30 theo yêu cầu của TCVN 13346-2021.


Giải pháp gia cố trên có ưu điểm là xử lý được khối trượt lớn với mặt trượt sâu do chiều dài neo dự ứng lực có thể thay đổi và phạm vi gia tăng của lực neo cũng lớn tùy theo số lượng tao cáp sử dụng trong neo. Tuy nhiên, chi phí thi công neo dự ứng lực khá lớn và đòi hỏi trình độ thi công cao.
Giải pháp tường chắn đất có cốt
Hình 5 là hình ảnh mái dốc tại km 34 (trái tuyến) trên cao tốc Hạ Long – Vân Đồn (Đỗ và nnk, 2022). Đây là mái dốc cao trên 40 m và rộng 100 m. Tại thời điểm khảo sát, bề mặt mái dốc xuất hiện rất nhiều vết nứt. Các tấm bê tông kín ốp bề mặt mái đã bị bong tróc để lộ đất phía dưới. Vách sụt phía đỉnh mái dốc có chiều cao sụt 1,5 m.


Mặt cắt địa chất tại km 34 được thể hiện trong Hình 6. Theo đó, lớp 1 là sét pha lẫn dăm sạn, màu xám vàng, nâu đỏ, xám đen, trạng thái dẻo cứng. Lớp này gặp tại 03 lỗ khoan khảo sát: HK1, HK3 và HK4. Bề dày của lớp biến đổi từ 3,70 m (HK1) đến 4,80 m (HK2), trung bình là 4.40 m. Phía dưới lớp 1 là lớp 2 (sét pha lẫn dăm sạn, màu xám vàng, nâu đỏ, xám đen, trạng thái nửa cứng). Lớp này gặp tại cả 04 lỗ khoan khảo sát: HK1, HK2, HK3 và HK4. Bề dày của lớp chưa xác định tại lỗ khoan HK1 và mới khoan vào 11,30 m. Tại các lỗ khoan khác bề dày của lớp xác định và biến đổi từ 5,80 m (HK4) đến 10,70m (HK2). Cuối cùng là lớp 3 (đá sét bột kết, màu xám vàng, xám xanh, xám đen, phong hóa mạnh, nứt nẻ đặc biệt mạnh, RQD = 0-15%, TCR = 40-68%). Lớp này gặp tại 03 lỗ khoan khảo sát: HK2, HK3 và HK4. Bề dày của lớp chưa xác định, mới khoan vào lớp tại 03 lỗ khoan này từ 3,00 m (HK3) đến 4,50 m (HK4).
Để giữ ổn định mái dốc, giải pháp gia cố được đưa ra như sau: 1) Cắt đất, hạ tải, tạo 7 cơ trên mái dốc với chiều cao từ 6 m đến 8 m; (2) Hạ mực nước ngầm bằng ống thoát nước sâu 15 m trong mái dốc; (3) Bố trí tường có cốt tại 4 cơ dưới để giữ chân mái dốc. Bề rộng tường tại mỗi cơ là 8 m được cấu tạo từ các lớp lưới địa kỹ thuật loại 200 kN/m và bố trí 0,5 m/lớp. Bề mặt tường được trồng cỏ phủ xanh. Nguyên lý thiết kế là sử dụng trọng lượng bản thân của tường để giữ ổn định cho khối đất phía sau tường. Khi thi công đào đất tạo không gian xây dựng tường, ổn định của mái dốc đào cũng cần được kiểm tra.


Hình 8 là hình ảnh mái dốc sau khi hoàn thiện. Dựa trên ảnh chụp ta có thể thấy mái dốc được phủ xanh và tạo cảnh quan đẹp cho khu vực xung quanh. Ngoài ra, ưu điểm của giải pháp này là biện pháp thi công chủ yếu bằng công tác đào, đắp đất đơn giản và tường có thể làm việc ngay sau khi hoàn thành. Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi phải đào sâu vào trong mái dốc để tạo vị trí đặt tường. Do đó, ổn định của mái dốc khi thi công cần được xem xét.

Giải pháp gia cố mái dốc đá
Hệ lưới chắn đá rơi chủ động
Hình 9 là hình ảnh mái dốc tại km 19 +40 (trái tuyến) trên cao tốc Hạ Long-Vân Đồn. Đây là mái dốc đá có chiều cao trung bình 33 m. Tuy nhiên, đỉnh núi bên trên cao hơn 100 m. Phạm vi xảy ra đá lăn, đá rơi là 140 m. Mái dốc chứa phần lớn là đá vôi có độ nứt nẻ mạnh. Ngoài ra, đá đã bị nứt nẻ 1 phần do công tác phá đá, nổ mìn khi thi công mái dốc đào.

Giải pháp thiết kế được đưa ra như sau (Hình 10): 1) Tẩy đá, dọn dẹp bề mặt mái dốc; (2) Rút nước ngầm tại vị trí rỉ nước bằng ống thoát dài 3 m; (3) Bố trí tường bê tông kết hợp neo dự ứng lực cho cơ bên dưới chân mái dốc; (4) Bố trí hệ lưới chắn đá chủ động kết hợp đinh đá phía trên mái dốc. Nguyên lý thiết kế là sử dụng ứng lực trước và trọng lượng bản thân tường bê tông để giữ chân mái dốc đá. Hệ neo chủ động bên trên có tác dụng giữ đá không lăn xuống phía dưới. Kết quả phân tích ổn định mái dốc được thể hiện trong Hình 11. Hệ số ổn định sau gia cố là 1,33 > 1,30 theo yêu cầu của TCVN 13346-2021.


Hình ảnh mái dốc sau gia cố được thể hiện trong Hình 12. Ưu điểm chính của giải pháp hệ chắn lưới chủ động là giữ được đá ngay trên mái dốc và ngăn đá lăn, đá rơi xảy ra. Tuy nhiên, phạm vi gia cố cần phủ hết khu vực có nguy cơ xảy ra. Vì vậy, công tác khảo sát, đánh giá hiện trạng cần được chú trọng trước khi thiết kế.

Hệ lưới chắn đá rơi bị động
Như thảo luận ở mục trên, nhược điểm của hệ lưới chắn đá rơi chủ động là cần được bố trí trên toàn bộ phạm vi có đá lăn, đá rơi. Tại km 19 + 40 (trái tuyến), chiều cao của đỉnh núi phía trên là hơn 100 m và đá phía trên có thể bị rơi ra trong quá trình phong hóa theo thời gian. Do đó, giải pháp hệ lưới chắn đá bị động được thiết kế bổ sung cho khu vực. Vị trí lắp đặt hệ lưới là ở phía trên của khu vực gia cố giai đoạn trước (Hình 13) và phạm vi bố trí là toàn bộ chiều rộng của mái dốc (140 m). Chi tiết hệ lưới chủ động được thể hiện trong Hình 14. Đây là hệ lưới cao 6 m, góc mở so với bề mặt mái dốc là 60 độ. Về nguyên lý thiết kế, đá rơi được giả sử di chuyển từ trên đỉnh mái dốc xuống tới vị trí có hệ lưới. Kích thước viên đá được lựa chọn từ kết quả khảo sát. Năng lực của hệ lưới được tính theo động năng khi va chạm của đá.


Hình 15 là hình ảnh xử lý đá rơi sau khi bị giữ lại bởi hệ lưới bị động. Ưu điểm của hệ này là không cần phải bố trí cho toàn bộ phạm vi đón đá rơi theo chiều cao mái. Tuy nhiên, công tác duy tu, bảo dưỡng hệ lưới và tẩy đá rơi cần được thực hiện thường xuyên.

Thảo luận và kết luận
Nghiên cứu này đã tổng hợp và phân tích các giải pháp gia cố mái dốc dọc cao tốc Hạ Long-Vân Đồn. Các trường hợp gia cố bao gồm cả mái dốc đất và mái dốc đá.
Với mái dốc đất, khi khối trượt lớn với mặt trượt sâu thì giải pháp neo dự ứng lực là tương đối phù hợp do chiều dài neo không bị hạn chế và ứng lực trước trong neo có thể thay đổi theo yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên, giải pháp này có chi phí khá cao và cần kỹ thuật thi công chuyên sâu. Mặt khác, giải pháp tường chắn đất có cốt có thể sử dụng cho mái dốc trung bình với chi phí tương đối rẻ. Phương pháp thi công của giải pháp này đơn giản, dễ thực hiện nhưng ổn định của mái đào khi thi công cần được tính toán cho phù hợp.
Với mái dốc đá, hệ lưới chắn đá rơi chủ động có ưu điểm giữ đá tốt trong phạm vi bố trí nhưng cần phủ hết các vùng đá rơi tiềm năng. Ngược lại, hệ lưới bị động không cần phủ hết vùng đá rơi theo chiều cao mái nhưng cần được duy tu, bảo trì, và dọn đá thường xuyên.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 13346: 2021. Công trình phòng chống đất sụt trên đường ô tô – Yêu cầu khảo sát và thiết kế.
Nguyen, L. C., Tien, P. Van, and Do, T.-N. (2020), Deep-seated rainfall-induced landslides on a new expressway: a case study in Vietnam, Landslides, Vol. 17, No. 2, pp. 395–407, DOI: 10.1007/s10346-019-01293-6.
Do, T. N., Nguyen, L. C., and Nguyen, T. K. (2022), Stability Analysis of a Failure Slope After Treatment as Considering Influence of Rainfall, Proceedings of the 2nd International Symposium on Disaster Resilience and Sustainable Development, pp. 109–116, DOI: 10.1007/978-981-19-6297-4_8.