Quan trắc lún công trình

QUAN TRẮC LÚN CÔNG TRÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY CHUẨN HÌNH HỌC
CHÍNH XÁC KHOẢNG CÁCH NGẮN
Nguyễn Thị Trang Huyền – Phạm Tuấn Anh (*)

Tóm tắt: Bài báo đề xuất phương pháp đo lún và các phương pháp tính toán xử lý số
liệu, đánh giá ổn định mốc gốc từ đó đánh giá quá trình lún của công trình theo thời gian.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong thời đại công nghiệp
hóa, hiện đại hóa phát triển và hội nhập
kinh tế quốc tế của Việt nam hiện nay,
chúng ta đã tiến được những bước dài và đã
đạt được những thành công và kết quả
tương đối khích lệ trong nhiều lĩnh vực kinh
tế khác nhau. Sự phát triển đó yêu cầu cần
phải có một cơ sở vật chất phát triển để
phục v
ụ cho nhu cầu ngày càng cao của xã
hội, trong đó ngành xây dựng là một ngành
quan trọng trong việc tạo ra cơ sở vật chất
cho các ngành kinh tế khác. Vì vậy, hàng
loạt các công trình kiến trúc nhà cao tầng,
chung cư được xây dựng đã làm đẹp cho
mỹ quan của các thành phố và phát triển
kinh tế của Việt nam.
Từ Hà Nội đến thành phố Hồ
Chí Minh, từ Móng Cái đến Cà Mau các tòa
nhà cao tầng mọc lên rất nhanh thể hiện cho
sự thành công về
mặt kinh tế và đời sống
của cả nước.

Tuy nhiên, cũng như thế giới
nước ta đang đứng trước nguy cơ biến đổi
khí hậu nghiêm trọng, thiên nhiên có nhiều
biến động, như trong thời gian gần đây mực
nước ở vùng khu vực phía Bắc đã giảm
đáng kể, tình trạng mưa lũ ở miền Trung
liên tục diễn ra... Với sự thay đổi như
vậy
dẫn đến mực nước ngầm cũng bị thay đổi
đột ngột kéo theo tình trạng sụp lún đất và
gây sập đổ các nhà ở các khu vực xây dựng.
Ngoài ra, còn do sự phức tạp của môi
trường địa chất và sự tham gia tác động con
người vào công trình xây dựng đã làm cho
biến dạng xảy ra và có khả năng vượt quá
các giới hạn cho phép khi tính toán thiết kế
làm ảnh hưởng đến sự ổn
định của công
trình. Các loại biến dạng đó là lún, nghiêng,
chuyển dịch toàn bộ hay một phần công
trình gây nguy hiểm và thiệt hại lớn cho xã
hội.
Trước những nguy cơ gây nguy
hiểm và thiệt hại cao như vậy thì vấn đề đặt
ra là cần phải làm gì để có thể chủ động
được với những thay đổi và tác động trên
trong suốt quá trình xây dựng, cũng như
quan sát được những chuyển biến c
ủa công
trình khi có sự thay đổi hoạt tải trong quá

trình đưa công trình vào sử dụng cho đến
khi đảm bảo công trình hoàn toàn ổn định
Để đảm bảo được chất lượng
công trình, ngoài công tác khảo sát địa chất,
bản vẽ thiết kế, chất lượng thi công công
trình, thì việc theo dõi được những chuyển
biến của địa chất bên dưới nền móng trong
suốt quá trình chịu sự thay đổi tải trọng bên
trên là hết sức quan trọng. Nếu làm được
việc đó sẽ dễ dàng kiểm tra được giải pháp
thiết kế nền móng, đồng thời ước tính được
độ biến dạng có thể xảy ra có vượt quá giới
hạn cho phép của thiết kế hay không, để từ
đó phát hiện những rủi ro có thể xảy ra một
cách kịp thời. Vì vậy, nắm bắt được quy
trình quan trắc lún công trình là một nhiệ
m
vụ cần thiết thực hiện để đảm bảo chất
lượng cho các công trình xây dựng đặc biệt
đối với nhà cao tầng.
2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Quan trắc lún cho công trình là
xác định giá trị chuyển dịch đứng của công
trình theo thời gian bằng cách đo lặp xác
định cao độ các điểm quan trắc theo các chu
kỳ đo.
Để quan trắc lún công trình cần
phải có một quy trình đo và các phương
pháp xử lý số liệu đo một cách chính xác để

có thể đánh giá đúng thực trạng lún của
công trình.

Máy thủy chuẩn Leica NA2 và NAK2
Việc đo lún được bắt dầu ngay
sau khi xây d
ựng xong phần móng của công
trình và đo theo các chu kỳ. Thông thường
các chu kỳ tiếp theo được đo vào những lúc
công trình đạt 25% , 50%, 75%, 100% tải
trọng công trình. Đối với công trình nhà cao
tầng thi công từ 2-3 tầng thì tiến hành đo
một chu kỳ. Công tác đo đươc thực hiện
theo phương pháp đo cao thủy chuẩn hình
học chính xác khoảng cách ngắn.

Sơ đồ nguyên lý đo cao hình học

Đọc số trên bộ đo cực nhỏ và ống kính
Qua các chu kỳ, ta tiến hành
truyền cao độ từ các mốc chuẩn (mốc cơ sở)
tới các mốc quan trắc được gắn trực tiếp
trên công trình. Tiến hành xử lý đánh giá độ
chính xác kết quả đo và bình sai lưới quan
trắc theo phương pháp bình sai tham số xác
định được sự thay đổi cao độ giữa các mốc.
Dựa vào kết quả này và kết quả
đánh giá ổn
định mốc cơ sở qua các chu kỳ đo ta tính
được các thông số đo lún công trình. Việc

đánh giá ổn định mốc cơ sở thực hiện theo
nguyên tắc dựa trên độ cao không đổi của
một mốc gốc và phương pháp bình sai lưới
tự do.
Hiện nay, để đánh giá ổn định
mốc cơ sở các đơn vị thường dùng phương
pháp dựa trên độ cao không đổi của một
mốc gốc. Phương pháp lưới tự do chưa
được sử dụng rộng rãi vì tính phức tạp và sự
hiểu biết về phương pháp này còn giới hạ
n.
ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH DỰA TRÊN
NGUYÊN TẮC ĐỘ CAO KHÔNG ĐỔI
CỦA MỘT MỐC GỐC
Trong từng chu kỳ (trừ chu kỳ 0),
luôn được tiến hành bằng cách chọn lần
lượt các mốc gốc trong hệ thống làm mốc
gốc để tính độ cao các mốc còn lại và độ
dịch chuyển các mốc còn lại. Mốc nào thỏa
mãn các điều kiện sau thì sẽ được chọn làm
mố
c gốc:
- Tổng bình phương chuyển dịch
của nó bé nhất;
- Giá trị tuyệt đối chuyển dịch của
trung bình bé nhất.
Khi đó độ ổn định của các mốc khác
sẽ được đánh giá theo công thức sau:
TBTB
QtS ..

μ
>

Trong đó:
S
TB
- là trị dịch chuyển trung bình;
t - là sai số chuẩn (chọn t = 2 ÷3);
μ - là sai số đơn vị trọng số
Q
TB
- là trọng số đảo trung bình của mốc
Theo phương pháp này mốc được
chọn ổn định sẽ có cao độ bằng cao độ chu
kỳ trước đó.
ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH MỐC GỐC
THEO THUẬT TOÁN BÌNH SAI LƯỚI
TỰ DO.

Sơ đồ độ cao lưới cơ sở gồm 4 mốc chuẩn
¾ Chu kỳ 0: chưa có mốc nào bị xê
dịch nên có thể chọn một mố
c bất kỳ làm
mốc gốc rồi dùng chương trình
BSCAO1.For bình sai tính độ cao các mốc
còn lại theo kết quả đo chu kỳ 0.
¾ Đến chu kỳ 1: ta có chênh cao đo
là: h
1
1

, h
1
2
, h
1
3
, h
1
4….
khi đó tiến hành bình
sai lưới tự do như sau:
a. Trong mạng lưới coi độ cao tất cả
các điểm mốc cơ sở đều là ẩn số
b. Lập ma trận đường chéo các trọng
số trị đo h
đo

⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=

n
P
P
P
P
000
............
000
000
2
1

Với trọng số
i
i
n
P
1
=
nếu tính trọng số
theo số trạm đo trên tuyến.
c.
Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh
trị đo:
Sau khi bình sai chu kỳ 0 ta được độ
cao bình sai là H
0
1
, H
0

2
, H
0
3
, H
0
4
; với các số
hiệu chỉnh vào tham số δ
H1
, δ
H2
, δ
H3
, δ
H4
ta
có hệ phương trình số cải chỉnh:
lAV
H
+= ).(
δ

Với :
A – ma trận hệ số của phương trình số hiệu
chỉnh, có kích thước nxk; n là đại lượng đo,
k là ẩn số.
δ
H
- vectơ cột số hiệu chỉnh vào các ẩn số,

có k phần tử
l – vectơ cột số hạng tự do, có n phần tử
(với l
i
= h
i
0
– h
i
đo
)
h
0
: là trị chênh cao bình sai chu kỳ 0
h
i
đo
: là chênh cao đo tại chu kỳ xem xét.
d.
Lập hệ phương trình chuẩn
:
0).( =+ bR
H
δ
(3.7)
Trong đó: R = A
T
.P.A - là ma trận
hệ số phương trình chuẩn
b = A

T
.P.l - là ma trận cột
số hạng tự do phương trình chuẩn.
e.
Do ma trân R bị suy biến nên để giải
hệ phương trình chuẩn (3.7) ta thêm điều
kiện sau: δ
H1
+ δ
H2
+ δ
H3
+ δ
H4
= 0
Nghĩa
là, trong chu kỳ đang khảo sát giả thiết
cao độ trung bình các mốc cơ sở không
thay đổi.
Điều kiện (3.8) dưới dạng ma trận là:
C
T
.(δ
H
) = 0 (3.9), với C
T
= (1 1 1 1)
Kết hợp (3.7) và (3.9) suy ra :
0
00

=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
Δ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
b
K
x

C
CR
T

với K - là số liên hệ do có điều kiện
Ma trận
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
0
T
C
CR
Rc
không suy
biến, do đó có ma trận nghịch đảo tổng quát
là:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
=
−
0
~
1
T
C
T
TR
R

Theo (3.10) để tính được
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
Δ
0
0
~
b
T
TR
K
x
T
(3.10)
*
ta cần tính T
và R
~
. Lúc đó mới có thể tìm được vectơ ẩn
Δx và K
Theo chứng minh của [1] trang 245
thì
R
~
= (R+ CC

T
)
-1
-TT
T
với T =B.(C
T
B)
-1

trong đó B = C là ma trận gốc định vị ban
đầu.
Từ (3.10)
*
suy ra: Δx = -
R
~
.b
(3.10)
**

f.
Sau đó kiểm tra tiêu chuẩn dịch
chuyển các mốc cao độ theo [5]:
iiH
Qt .2
μδ
≤

Với Q

H
- là các phần tử tương ứng trên
đường chéo ma trận
R
~

+ Tính [PVV] = V
T.
PV
+ Sai số trung phương đơn vị trọng
số:
kn
PVV
T
−
=
μ
(với n là tổng đại lượng
đo, k là đại lượng đo đủ).
+ Đánh giá độ chính xác của hàm bất
kỳ:
F
F
P
m
1
μ
=
, với
F

P
1
là trọng số đảo
của đại lượng cần đánh giá.
FRF
P
T
F
.
~
.
1
=
với F =
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
H
f

Đánh giá cho từng điểm cụ thể:
Hi
Hi
Hi
Q

P
m .
1
μμ
==
, với Q
ii
là phần tử
thứ i trên đường chéo của ma trận
R
~
.
Nếu thỏa điều kiện (3.11) thì số hiệu
chỉnh bé và mốc ổn định. Ngược lại mốc i
bị xê dịch và cần thay đổi điều kiện C
T
.
Nghĩa là, δH
3
ngược lại với (3.11) thì mốc
RP3 chuyển dịch lúc đó điều kiện C
T
= (1 1
0 1) và tính lại các mục e,f (kiểm tra lại bất
đẳng thức ngoài mốc i đã bị loại trừ).
- Sau khi kiểm tra ta thấy các mốc ổn
định thì độ cao các mốc được tính:
1
0
1

1
1 H
HH
δ
+=

2
0
2
1
2 H
HH
δ
+=

………………..
Hnnn
HH
δ
+=
01

- Cao độ các mốc sau bình sai sẽ được
dùng làm mốc gốc để bình sai lưới quan
trắc lún.
Trên cơ sở các thông số đo lún có thể
đưa ra biện pháp khắc phục sự cố cho công
trình, tránh được những rủi ro có thể xảy ra
gây thiệt hại về vật chất và con người.
3. THỰC TRẠNG QUAN TRẮC

LÚN NƯỚC TA HIỆN NAY
Ở nước ta, thực hiện quy trình quan
trắc lún hiện nay chưa được quan tâm đúng
mức, còn mang tính chất bắt buộc mới thực
hiện và còn co hẹp trong phạm vi nhà cao
tầng mà chưa được triển khai rộng rãi.
Đồng thời kiến thức về quy trình quan trắc
lún công trình cũng chưa được đào tạo rộng
rãi trong ngành kỹ thuật xây dựng mà chỉ
được giảng dạy tại các trường có bộ môn
chuyên ngành trắc địa vì v
ậy dẫn đến hạn
chế kiến thức cho các kỹ sư, giám sát xây
dựng sau khi ra trường.
Đặc biệt tại Đồng Nai là một Tỉnh
thành có mức độ phát triển khá cao, nơi tập
trung nhiều khu công nghiệp, mật độ dân số
cũng ngày càng tăng do đó các dự án xây
dựng chung cư cao tầng, cao ốc văn phòng
cũng đang được triển khai mạnh mẻ. Tuy
nhiên, ngoài Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu
Chuẩn Đo L
ường Chất Lượng 3 (Quatest 3)
thì chưa có doanh nghiệp nào có chức năng
quan trắc, đánh giá sự cố công trình, thực
hiện quan trắc lún để đánh giá chất lượng
công trình. Hơn nữa, Trường Lạc Hồng là
nơi cung cấp nguồn nhân lực chủ yếu cho
Tỉnh Đồng Nai nhưng kiến thức về công
trình nhà cao tầng nói chung và vấn đề về

quan trắc lún công trình nói riêng chưa đáp
ứng triệt để cho nhu cầu củ
a tỉnh nhà.
Do vậy cần chuẩn bị những kiến thức
phục vụ cho xây dựng nhà cao tầng, trong
đó quan trắc lún công trình đóng vai trò rất
quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho