địa môi trường với khai thác và sử dụng hiệu quả không gian ngầm đô thị hà nội

ĐỊA MÔI TRƯỜNG VỚI KHAI THÁC
VÀ SỬ DỤNG HIỆU QUẢ KHÔNG GIAN NGẦM ĐÔ THỊ HÀ NỘI



ThS. NCS. NGUYỄN ĐỨC MẠNH
Bộ môn Địa Kỹ thuật
Khoa Công trình
KS. NGUYỄN NGỌC LÂN
Bộ môn Vật liệu Xây dựng
Viện KH&CNXD GT
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Việc khai thác và sử dụng không gian ngầm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với
những đô thị như thủ đô Hà Nội. Những đặc điểm đặc thù của không gian ngầm vùng Hà Nội và sự
biến đổi địa môi trường do hoạt động khai thác lãnh thổ của con người, có ảnh hưởng lớn đến sự
an toàn và ổn định khi thi công cũng như khai thác các công trình ngầm và công trình trên mặt
Summary: The exploitation and use underground space mean special important for
municipalities as the Hanoi capital. The particular characteristics of underground space in Hanoi
and the variation in local geological environment due to mining activities of human territory, have
a great influence safety and stability when construction as well as exploitation of the underground
and on the surface.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Không gian ngầm Hà Nội là nguồn tài
nguyên đất xây dựng rất quan trọng, đã, đang
và sẽ được khai thác sử dụng với các mục
đích khác nhau như: bố trí các công trình hạ
tầng ngầm (thoát nước, cấp nước, cáp điện

…), phần kết cấu ngầm hay tầng hầm các tòa

nhà cũng như các hệ thống giao thông ngầm
(metro, hầm vượt, bãi đỗ xe …). Sử dụng hợp
lý nguồn tài nguyên này góp phần làm tốt hơn
môi trường sống của con người, đồng thời cho
phép bảo tồn tối đa cảnh quan tự nhiên và
kiến trúc đô thị đã có.
Việc phân tích và đánh giá ảnh hưởng
đến trạng thái địa môi trường có ý nghĩa quan
trọng và tính chất nguyên tắc khi vạch chiến
lược, cũng như lập dự án qu
y hoạch khai thác
sử dụng không gian ngầm tại Hà Nội.
Nghĩa
là, cần phải xem xét tổng hợp và điều kiện
tương tác, các quá trình chuyển đổi tự nhiên
của thạch quyển, thủy quyển và sinh quyển
dưới tác động của các hoạt động kỹ thuật, các
đặc điểm việc xây dựng và khái thác công
trình trên mặt và công trình ngầm. Đặc điểm
và cường độ sự phát triển các quá trình này
thường được quyết định bởi cấu trúc địa chất,
các điều kiện địa chất thủy văn và địa chất
công trình, cũng như bởi sự đặc thù và mức độ
tác động nhân sinh trong trong không gian
ngầm.
II. ĐẶC ĐIỂM ĐẶC THÙ KHÔNG GIAN
NGẦM HÀ NỘI
Chủ yếu lãnh thổ Hà Nội nằm trong đới
sụt địa hào trung tâm của trũng Hà Nội thuộc
miền kiến tạo Đông Bắc - Bắc Bộ, đới này

nằm kẹp giữa các đứt gãy sâu Sông Chảy ở

phía Tây Nam và Sông Lô phía Đông Bắc,
đồng thời cắt qua cấu trúc Trung Tâm và
Đông Bắc thuộc hệ chuẩn uốn nếp Đông Việt
Nam, còn phía Tây Nam giáp với hệ uốn nếp
Tây Việt Nam. Với đặc điểm như vậy, lãnh
thổ Hà Nội gắn liền các đặc điểm chung của
trũng Hà Nội, với cấu trúc kiến tạo rất phức
tạp, mức độ động và dập vỡ vỏ trái đất mạnh.
Nguồn gốc của mọi vận động nội sinh lãnh
thổ Hà Nội chịu ảnh hưởng của sự vận hành
hai hệ đứt gãy Sông Hồng và Đông Triều.
Trên mặt cắt Kainozoi lãnh thổ Hà Nội
phát triển đầy đủ các thành tạo Oligocen (E
3
),
Neogen (N) và đệ Tứ (Q). Với nền trầm tích
đệ Tứ khá dày, có thể đạt trên 120m, đến nay
và trong tương lai đối tượng này chủ yếu được
khai thác và sử dụng cho mục đích xây dựng
công trình tại Hà Nội. Từ dưới lên trên, các
thành tạo đệ Tứ vùng Hà Nội gồm hệ tầng Lệ
Chi (aQ
1
1
lc), Hà Nội (a,apQ
1
2-3
hn), Vĩnh Phúc

(a,lbQ
1
3
vp), Hải Hưng (m,lb,bQ
2
1-2
hh) và Thái
Bình (a,alb,aQ
2
3
tb) [1].
Các thành tạo trầm tích sông hệ tầng Lệ
Chi, từ dưới lên gồm cuội, sỏi, cát lẫn bột sét
có nơi là bột sét ở bên trên. Các thành tạo đệ
Tứ cổ nhất này phân bố phổ biến ở vùng Hà
Nội, không lộ ra trên mặt, thường gặp ở độ
sâu 45 – 69,5m, với tổng bề dày 25 - 30m. Hệ
tầng Hà Nội phân bố rộng khắp phạm vi Hà
Nội, được lộ ra ở phần rìa đồng bằng (vùng
đồi gò Sóc Sơn), phần còn lại bị phủ bởi các
trầm tích trẻ hơn. Là các thành tạo sông và
sông lũ, thành phần gồm cuội, sỏi, cát, nhiều
nơi có cát pha hay sét pha ở bên trên. Với giá
trị mô đun tổng biến dạng khá cao (>70 MPa),
các tầng cuội sỏi Lệ Chi và Hà Nội là lớp chịu
lực quan trọng cho móng cọc đối với các công
trình lớn trên địa bàn thành phố. Các trầm tích
Pleistocen muộn - hệ tầng Vĩnh Phúc có
nguồn gốc sông, hồ và hồ - đầm lầy được
phân bố rộng rãi trong vùng Hà Nội. Chúng lộ

ra trên mặt ở Đông Anh, Sóc Sơn và diện nhỏ
ở Cổ Nhuế - Xuân Đỉnh và khu vực Nghĩa
Đô, gồm có hai tập trầm tích. Tập dưới là các
trầm tích rời, gồm cát nhỏ đến thô, có khi lẫn
sạn sỏi, còn tập trên gồm cát pha, sét pha hoặc
sét màu loang lổ đặc trưng có chỗ lẫn tàn tích
hữu cơ. Những thành tạo trầm tích cuội, sỏi và
cát của các hệ tầng Lệ Chi, Hà Nội và Vĩnh
Phúc là tầng chứa nước Pleistocen (qp) phong
phú và quan trọng của Hà Nội. Các thành tạo
Holocen dưới - giữa hệ tầng Hải Hưng có
nguồn gốc hồ-đầm lầy, biển và đầm lầy.
Thành phần gồm sét, sét pha dẻo chảy đến
chảy lẫn tàn tích hữu cơ, sét xám xanh đặc
trưng và than bùn. Các thành tạo chứa hữu cơ
Hải Hưng có tính dị hướng cao, mức độ thành
đá thấp, thường nằm trên bề mặt không bằng
phẳng của các trầm tích sét bột tầng Vĩnh
Phúc và phân bố không liên tục, tạo nên tính
phức tạp của điều kiện địa chất công trình tại
những nơi chúng có mặt. Hệ tầng Thái Bình là
trầm tích đệ Tứ trẻ nhất, phân bố rộng rãi,
gồm hai phụ hệ với tổng bề dày có thể đạt
46m. Phụ hệ tầng Thái Bình dưới là các thành
tạo trầm tích sông, sông - hồ - đầm lầy, phân
bố rộng rãi ở bề mặt đồng bằng trong đê,
thành phần gồm cát thô, cát vừa có khi lẫn
sạn, cát nhỏ và cát bột (nằm dưới) và bột sét,
sét bột hay cát sét có nơi lẫn tàn tích hữu cơ
(nằm trên). Phụ hệ tầng Thái Bình trên là các

trầm tích bãi bồi và lòng sông, phân bố ngoài
đê sông Hồng, Đuống, Cà Lồ, …, với thành
phần gồm cuội, sỏi, cát lẫn ít bột sét (nằm
dưới) và bột sét, cát bột (nằm trên). Các thành
tạo cát hệ tầng Thái Bình là tầng chứa nước
Holocen (qh) khá phong phú.
Với ba tầng đất yếu Vĩnh Phúc, Hải
Hưng và Thái Bình là các trầm tích nguồn gốc
hồ - đầm lầy và đầm lầy, cùng với cấu trúc


kiến tạo phức tạp tạo nên tính đặc thù của
không gian ngầm vùng Hà Nội.
III. CÁC VẤN ĐỀ ĐỊA MÔI TRƯỜNG
KHI KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG KHÔNG
GIAN NGẦM HÀ NỘI
Như đã biết, đa phần diện tích Hà Nội
nằm vùng ảnh hưởng trực tiếp của hệ đứt gãy
Sông Hồng. Hệ này không chỉ gồm các đứt
gãy sâu phương Tây Bắc - Đông Nam (đứt
gãy Sông Hồng, Sông Chảy, Vĩnh Ninh, Phúc
Yên-Yên Viên, Sông Lô), mà còn các đứt gãy
Đông Bắc - Tây Nam (đứt gãy đường 6), các
đứt gãy nhánh á kinh tuyến và á vĩ tuyến.
Hoạt động của các đứt gãy này được ghi nhận
bởi các dị thường nhiệt, trượt đất, nứt đất
ngầm và đặc biệt đặt Hà Nội trong phạm vi
đới động đất cấp 7 - 8. Với trên 30 điểm nứt
đất ngầm được xác nhận ở lãnh thổ Hà Nội, sẽ
là những yếu tố nguy hiểm không thể không

tính đến khi vạch chiến lược khai thác không
gian ngầm trong vùng này, đồng thời chính nó
tạo kênh dẫn nguồn ô nhiễm xuống các nước
và đất bên dưới. Hai trận động đất cường độ
5,1 Richter (8/1278 và 10/1285) và rất nhiều
trận nhỏ hơn đã được ghi nhận trên địa bàn Hà
Nội, rõ ràng hiện tượng động đất và hậu quả
thảm họa của nó luôn thời sự và rất quan trọng
đối với xây dựng, đặc biệt là xây dựng công
trình ngầm. Sự có mặt các thành tạo đất loại
cát chứa nước, đặc biệt cát kém chặt hệ tầng
Thái Bình phân bố gần mặt đất, mực nước
ngầm nông và với hàm lượng hạt bụi khá cao
(22,5 - 68,3%), chúng hoàn toàn có thể xảy ra
sự hóa lỏng khi xảy ra động đất cấp 7 - 8
. Tại
các khu vực phân bố thành tạo hồ-đầm lầy
(đất yếu tầng Vĩnh Phúc, Hải Hưng, Thái
Bình), tính chất bất lợi địa chấn sẽ tăng lên
đáng kể đối với nền đất và công trình khi
động đất. Theo ý kiến của một nhà địa chất, vị
trí vỡ đê (1915) sau đó hình thành đầm tại
Thanh Trì và nhiều điểm sạt lở bờ sông
Hồng
nhiều năm qua nằm trong phạm vi đới phá
hủy của đứt gãy kiến tạo.
Với sự có mặt các trầm tích cát (Thái
Bình, Vĩnh Phúc) dọc theo sông Hồng và
Sông Đuống, nhiều trường hợp nằm ngay
dưới các lớp đất loại sét có bề dày nhỏ (2 -

3m) trong mặt cắt cấu trúc nền đê, kết quả làm
hình thành những khu vực trong đê dâng cao
mực nước ngầm vào mùa mưa. Khi đó, ngoài
ảnh hưởng đến sự thay đổi trạng thái và giảm
độ bền của đất do ngập nước, cần chú vấn đề
tăng áp lực dòng thấm gây biến dạng thấm
(cát chảy, xói ngầm)
, tăng áp lực nước lỗ rỗng
trong đất
, sụt lở hay bùng nền khi thi công hố
móng, khai đào ngầm, cũng như sự làm việc
của các hệ thống công trình ngầm khu vực dọc
theo và nằm trong đê. Mặt khác, sự chiếm chỗ
của các hệ thống công trình ngầm lớn (Metro,
co
llector ) nằm trong các tầng chứa nước qp
hay qh
, làm giảm lớp dẫn nước và gây dâng
mực nước ngầm cục bộ, đe dọa đến sự ổn định
lâu dài khi khai thác chúng.
Các tầng đất cát hệ tầng Thái Bình và
Vĩnh Phúc, tại nhiều khu vực trong không
gian ngầm Hà Nội có tính chất cát chảy rõ rệt,
thể hiện bởi hệ số không đều đều hạt khá nhỏ
(η = 2,6
- 9,7) và độ ổn định huyền phù có
khi phân tích thành phần hạt khá cao (có khi
>24cm
3
), hay khả năng xói ngầm (η = 16,2 -

21,7). Nghĩa là, khi khai đào ngầm, hố móng
hay khoan cọc nhồi trong các tầng đất cát ở
Hà Nội, quá trình biến dạng thấm (cát chảy,
xói ngầm) hoàn toàn có thể xảy ra khi thỏa
mãn điều kiện áp lực thấm, gây trở ngại khi
thi công, đòi hỏi biện pháp thi công chuyên
biệt và có thể gây biến dạng hay phá hủy nền
đất. Chính sự hình thành những mạch đùn,
mạch sủi ở nền đê sông Hồng trong mùa mưa
những năm qua, là dạng biểu hiện của biến

Như nhiều nghiên cứu đã cho biết, tốc độ
lún mặt đất do hạ thấp mực nước ngầm (khai
thác nước ngầm) những năm qua diễn ra với
tốc độ khá lớn (5
- 35mm/năm), các phễu hạ
thấp mực nước ngày càng mở rộng và độ hạ
thấp ngày càng lớn. Sự biến đổi môi trường
địa chất này, không chỉ gây biến dạng các
công trình trên mặt, vô hiệu hóa các hệ thống
thoát nước, ngập úng cục bộ trong thành phố,
mà sẽ là một trong những nguyên nhân quan
trọng gây biến dạng các công trình ngầm, đặc
biệt với các hệ thống đường ngầm
Metro hay
các nút giao thông ngầm sẽ xây dựng tại Hà
Nội. Có lẽ, chính nguyên nhân này gây ra sự
biến dạng không đều hầm Kim Liên, làm nứt
khe co giãn dẫn đến rò rỉ nước ngầm như hiện
nay.

Trong mặt cắt trầm tích đệ Tứ không
gian ngầm Hà Nội, có mặt hai tầng chứa nước
phong phú Pleistocen (qp) và Holocen (qh).
Nhiều khu vực trên địa bàn Hà Nội, các tầng
nước này đã và đang bị ô nhiễm ngày càng
nghiêm trọng, tạo điều kiện hình thành môi
trường yếm khí khi có mặt các vật chất hữu cơ
tự nhiên hoặc do ô nhiễm trong đất. Đặc điểm
này được thể hiện bởi đại lượng thế ô xi hóa
khử (Eh) không cao của các tầng nước qp (-88
÷ +140 mV, thường +20 ÷ +70mV) và qh (-63
÷ +132 mV, thường +16 ÷ +80mV), và có xu
thế giảm do ô nhiễm ở một số nơi (bãi rác cũ
trong thành phố). Và đó sẽ là điều kiện thuận
lợi cho quá trình ăn mòn điện hóa đối với các
kết cấu thép và một số kim loại trong điều
kiện môi trường thiếu ô xi. Mặt khác, độ pH
của các tầng chứa nước biến đổi trong phạm
vi rộng, với qp (3,7
- 8,4) và qh (4,0 - 8,6),
nghĩa là tại một số khu vực trên địa Hà Nội,
nước ngầm có tính ăn mòn axít đối với bê
tông và bê tông cốt thép thông thường. Tính
chất ăn mòn này của nước ngầm vùng Hà Nội
cần được xem xét cả quá trình diễn biến theo
nguồn gây ô nhiễm chúng khi lựa chọn vật
liệu xây dựng cho các công trình ngầm, hay
phần ngầm các công trình trên mặt phân bố
trong các tầng đất chứa nước này.
Yếu tố nhiễm bẩn môi trường ngầm

thành phố bởi sự rò rỉ từ các hệ thống thoát
nước thải và các bãi rác thải sinh hoạt có ý
nghĩa địa môi trường quan trọng. Các hệ
thống thoát nước thải được xem như nguồn
cục bộ của sự ô nhiễm vô cơ, hữu cơ và vi
sinh của không gian ngầm thành phố.
Như đã biết, ở khu vực nội thành Hà Nội,
nhiều tuyến cống thải được xây dựng từ
những năm 30 thế kỷ trước, đến nay xuống
cấp nghiêm trọng. Sự rò rỉ thường xuyên từ
các hệ thống cống thải sinh hoạt, sự thẩm thấu
từ những hệ thống kênh mương và sông thoát
nước bị ô nhiễm nghiêm trọng, gây ô nhiễm
nước ngầm và đất trong không gian ngầm Hà
Nội ngày càng mạnh. Sự kéo dài và thường
xuyên bị nhiễm bẩn bởi các dòng nước thải
sinh hoạt, góp phần thúc đẩy quá trình thay
đổi bất lợi về thành phần hóa học của nước
ngầm, đồng thời tạo điều kiện thay đổi trạng
thái và tính chất của đất đá chứa nước đó. Sự
hình thành môi trường khử do sự ô xi hóa các
chất hữu cơ thường được phát hiện trong các
tầng trầm tích bị ô nhiễm bởi các dòng thải
sinh hoạt. Sự ô nhiễm không gian ngầm lãnh
thổ thành phố còn được tăng nhanh và làm
nghiêm trọng thêm từ pha lỏng giàu hữu cơ,
được thấm từ các bãi chôn lấp rác trước đây
(Thủ Lệ, Thành Công, Thái Hà, Ngọc Khánh,
Mễ Trì,
).

Khi các thành phần gây ô nhiễm (vô cơ,
hữu cơ, vi sinh) xâm nhập vào các đất phân
tán chứa nước, tạo môi trường thuận lợi cho vi


Sự phát triển dữ dội các điều kiện khử
ôxi trong không gian ngầm do sự ôxi hóa hữu
cơ thường kèm theo sự chuyển đổi các hợp
chất sắt ba về dạng linh động sắt hai. Các hợp
chất sắt ba này đóng vai trò là hợp thể và xi
măng gắn kết trong đất phân tán. Kết quả sự
chuyển đổi này gây ra sự hạ thấp độ bền và
khả năng chịu lực của đất ở nền các công trình
và tòa nhà hiện có. Ngoài ra,
khi sự nhiễm
bẩn nước ngầm bởi các dòng nước thải, nơi có
quá trình khử ôxi của lưu huỳnh với sự tham
gia các vi hữu cơ cylphat hóa, dẫn đến sự
thành tạo hydro sunfua và hidrotroilit. Sự tích
tụ các khí gas sinh hóa ít tan (CH
4
, N
2
, H
2
…)
với việc tăng đồng thời khối vi sinh gây ra sự
nới lỏng (giảm chặt) các lớp đất, kèm theo đó
là sự giảm độ bền và mô đun tổng biến dạng
của chúng, đồng thời tạo điều kiện hình thành

tính chất xúc biến và tăng độ nhạy của đất với
tải trọng động. Sự bão hòa khí trong các trầm
tích cát làm giảm góc ma sát trong của chúng,
điều này làm tăng sự chuyển tiếp cát sang
trạng thái lỏng.
lún bổ sung sau thời gian dài
ổn định của nhiều tòa nhà và công trình ở Hà
Nội
Hiện tượng
có liên quan đến sự suy giảm tính biến
dạng của đất nền do ô nhiễm đất gây ra. Ví dụ
công trình nhà 2 tầng 87 Hai Bà Trưng, xây
trên móng băng năm 1925, sau thời gian dài
ổn định đến đầu những năm 90 thế kỷ trước
xuất hiện lún bổ sung. Hiện tượng lún bổ sung
tương tự cũng xảy ra với tòa nhà trụ sở BCH
TƯ Đảng (xây năm 1910), tòa nhà thư viện
khoa học kỹ thuật và nhiều công trình khác.
Ngoài ra, khi phân tích nguyên nhân lún bổ
sung và lún quá giới hạn cho phép của các
công trình cũ xây trên móng cọc ở địa bàn Hà
Nội, sự giảm độ bền và tăng tính biến dạng
của đất do ô nhiễm không gian ngầm cần
được nghiên cứu và tính đến.
Sự xấu dần của tình trạng địa môi trường
trong không gian ngầm thành phố không chỉ
chuyển đổi trạng thái tiêu cực và tính chất của
đất, mà còn là sự nâng cao mức độ ăn mòn
của môi trường ngầm với các vật liệu xây
dựng. Sự dao động sinh hóa mạnh mẽ các chất

hòa tan trong nước của các khí (CO
2
, H
2
S)
cùng với sự tích tụ các sản phẩm của sự
chuyển hóa vi sinh, góp phần nâng cao tính ăn
mòn của nước ngầm và đất đối với vật liệu
xây dựng được sử dụng trong các kết cấu
ngầm và hệ thống các công trình ngầm. Nghĩa
là, khi khai thác không gian ngầm các đô thị
lớn trong các điều kiện cường độ tăng cao và
sự suy giảm tình trạng địa sinh thái mạnh như
ở Hà Nội, cần chú ý đặc biệt về vấn đề lựa
chọn vật liệu xây dựng, chúng phải được ổn
định trong các điều kiện tính ăn mòn cao của
môi trường và đảm bảo tin cậy khai thác công
trình ngầm và hệ thống kỹ thuật ngầm.


III. KẾT LUẬN
Khi giải quyết những vấn đề liên quan
khai thác và sử dụng không gian ngầm tại Hà
Nội, không chỉ tính đến các đặc điểm về điều
kiện địa chất hiện tại mà cần xem xét những
diễn biến địa môi trường theo không gian và
thời gian, nhằm lựa chọn giải pháp thi công,
kết cấu và vật liệu xây dựng phù hợp, đảm
bảo an toàn và ổn định lâu dài cho công trình.
Vai trò của các chất vô cơ, hữu cơ, đặc

biệt là vi sinh vật từ những nguồn ô nhiễm
khác nhau thường chỉ được xem xét trong các
công trình nghiên cứu ô nhiễm nước ngầm
phục vụ sinh hoạt, còn ảnh hưởng của chúng
đến sự biển đổi môi trường đất cần phải được
nghiên cứu, nhằm khai thác an toàn và hiệu
quả không gian ngầm theo mục đích xây dựng
tại Hà Nội.


Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Đức Đại và NNK. Báo cáo điều tra địa
chất đô thị thành phố Hà Nội, thuộc “chương trình
địa chất đô thị Việt Nam”. Tổng Cục địa chất Việt
Nam, Hà Nội, 1996.
[2]. Nguyễn Huy Phương và NNK. Thu thập, kiểm
chứng các tài liệu đã có, nghiên cứu bổ sung lập
bản đồ phân vùng đất yếu Hà Nội phục vụ phát
triển bền vững Thủ đô, báo cáo đề tài trọng điểm
thành phố Hà Nội. ĐH Mỏ - Địa chất, Hà Nội,
2005.
[3]. Vũ Công Ngữ và NNK. Nghiên cứu đánh giá
bổ sung điều kiện đất nền vùng Hà Nội và vùng
phụ cận và giải pháp nền móng công trình, báo cáo
khoa học tổng kết đề tài. Liên hiệp khoa học sản
xuất địa chất xây dựng và cấp nước, Hà Nội, 2007.
[4]. Terzaghi K., Peck R.B., Mesri G Soil
Mechanics in Engineering Prentice Hall. New
Jersy, 1996.
[5]. Научные основы обеспечения безопасности

жизнедеятельности мегаполисов. Отчет о
научно-исследовательской работе. Научный
руководитель работ проф., д.т.н., Трушко В.Л.,
отв. исполнитель проф., д.г м.н., Дашко Р.Э.,
Санкт-Петербург, 2002 г. (Фонды СПГГИ)
♦