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 quy 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 (E3), 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 (aQ11lc), Hà Nội (a,apQ12-3hn), Vĩnh Phúc (a,lbQ13vp), Hải Hưng (m,lb,bQ21-2hh) và Thái Bình (a,alb,aQ23tb) [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, collector ...) 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 >24cm3 ), 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 (CH4, N2, H2 …) 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 (CO2, H2S) 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)♦