Quan Trắc Lún Công Trình Là Gì? Phương Pháp Quan Trắc Lún

Quan trắc lún công trình là công tác đo đạc được thực hiện theo nhiều chu kỳ nhằm xác định sự thay đổi cao độ của các điểm được bố trí trên công trình theo thời gian. Thông qua việc so sánh kết quả giữa các chu kỳ, kỹ sư có thể xác định công trình đã lún bao nhiêu, tốc độ lún như thế nào, vị trí nào có mức lún lớn, công trình có xuất hiện lún lệch hay không và xu hướng biến dạng đang tăng, giảm hay dần ổn định. Công tác này được áp dụng phổ biến đối với nhà cao tầng, nhà xưởng, cầu, đập, công trình công nghiệp, nền móng, kho bãi, công trình ngầm và những công trình cần theo dõi biến dạng trong quá trình thi công hoặc khai thác.

Lún công trình là gì?

Lún công trình là hiện tượng công trình hoặc một bộ phận của công trình dịch chuyển xuống theo phương đứng do sự biến dạng của nền đất, móng, tải trọng công trình và nhiều yếu tố khác. Trong thực tế, kỹ sư không chỉ quan tâm đến độ lún tuyệt đối mà còn đặc biệt chú ý tới lún không đều hay lún lệch. Nếu toàn bộ công trình lún tương đối đồng đều, ảnh hưởng đến kết cấu có thể khác với trường hợp một khu vực lún nhanh hoặc lún nhiều hơn phần còn lại. Lún lệch có thể liên quan đến các biểu hiện như nứt, nghiêng hoặc biến dạng kết cấu, vì vậy mục tiêu của quan trắc không đơn thuần là trả lời câu hỏi “công trình lún bao nhiêu?” mà còn phải xác định lún ở đâu, tốc độ bao nhiêu và diễn biến theo thời gian như thế nào.

Vì sao cần quan trắc lún công trình?

Trong quá trình xây dựng và sử dụng, nền móng chịu tác động của tải trọng bản thân công trình, tải trọng khai thác và điều kiện địa chất. Biến dạng có thể xuất hiện ngay trong quá trình thi công và tiếp tục sau khi công trình được đưa vào sử dụng. Quan trắc lún cung cấp chuỗi số liệu định lượng giúp theo dõi những thay đổi này, phục vụ đánh giá tình trạng công trình, kiểm chứng các giả thiết thiết kế, kiểm soát biến dạng trong quá trình thi công và cung cấp dữ liệu kỹ thuật khi xuất hiện dấu hiệu bất thường. Một hệ thống quan trắc cơ bản thường gồm mốc chuẩn, mốc quan trắc, thiết bị đo, tuyến đo, các chu kỳ quan trắc và hệ thống xử lý số liệu.

Mốc chuẩn và mốc quan trắc lún

Mốc chuẩn là cơ sở cao độ để xác định sự thay đổi của các điểm quan trắc trên công trình. Mốc phải được bố trí tại vị trí ổn định và hạn chế chịu ảnh hưởng của vùng biến dạng cần theo dõi. Đây là yêu cầu đặc biệt quan trọng bởi nếu mốc chuẩn cũng dịch chuyển nhưng vẫn được coi là cố định thì kết quả tính lún của toàn bộ công trình có thể bị sai lệch. Mốc quan trắc lún được gắn tại những vị trí cần theo dõi trên công trình. Các mốc cần ổn định, dễ quan sát, thuận lợi cho việc đặt mia hoặc đo đạc và phải được bảo vệ để có thể sử dụng nhất quán trong nhiều chu kỳ. Số lượng và vị trí mốc phụ thuộc vào quy mô, kết cấu, đặc điểm nền móng và mục tiêu quan trắc của từng công trình.

Nguyên lý xác định độ lún công trình

Nguyên lý cơ bản là xác định cao độ của cùng một điểm tại nhiều thời điểm rồi so sánh sự thay đổi. Giả sử cao độ của điểm P tại chu kỳ đầu là \(H_0\), tại chu kỳ tiếp theo là \(H_1\). Nếu quy ước độ lún dương khi điểm dịch chuyển xuống thì độ lún được xác định theo \(S=H_0-H_1\). Ví dụ cao độ ban đầu của một mốc là 10,1250 m, chu kỳ sau đo được 10,1215 m thì độ lún là 0,0035 m, tương đương 3,5 mm. Khi xử lý số liệu phải thống nhất quy ước dấu để tránh nhầm lẫn giữa chênh cao độ và độ lún.

Phương pháp quan trắc lún bằng thủy chuẩn hình học

Thủy chuẩn hình học chính xác là một trong những phương pháp phổ biến để xác định chuyển dịch đứng của công trình. Thiết bị có thể sử dụng máy thủy bình quang học chính xác hoặc máy thủy bình điện tử kết hợp với mia phù hợp. Nguyên lý cơ bản dựa trên số đọc mia sau và mia trước để xác định chênh cao theo quan hệ \(\Delta h=a-b\), trong đó \(a\) là số đọc mia sau và \(b\) là số đọc mia trước. Từ mốc chuẩn có cao độ đã biết, chênh cao được truyền tới các mốc quan trắc để xác định cao độ tại từng chu kỳ. Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp với việc xác định chuyển dịch đứng có độ chính xác cao. Tuy nhiên, chất lượng kết quả phụ thuộc vào thiết bị, mia, sơ đồ tuyến, khoảng cách ngắm, điều kiện môi trường và thao tác của kỹ thuật viên.

Quan trắc bằng máy thủy bình điện tử

Máy thủy bình điện tử kết hợp mia mã vạch có khả năng tự động đọc số và lưu dữ liệu, giúp giảm một phần sai sót đọc mia thủ công và thuận tiện khi xử lý số lượng lớn điểm quan trắc. Đây là lựa chọn phù hợp với nhiều công trình cần theo dõi cao độ định kỳ. Tuy nhiên, máy điện tử không tự loại bỏ mọi nguồn sai số. Người đo vẫn phải kiểm soát trạng thái máy, mia, khoảng cách ngắm, tuyến đo, điều kiện môi trường và đặc biệt là độ ổn định của hệ thống mốc.

Quan trắc lún bằng máy toàn đạc điện tử

Máy toàn đạc điện tử cũng có thể được sử dụng trong một số phương án quan trắc biến dạng, đặc biệt khi cần đồng thời xác định chuyển dịch ngang và chuyển dịch đứng hoặc khi vị trí mốc khó tổ chức tuyến thủy chuẩn. Máy xác định góc và khoảng cách rồi tính toán tọa độ, cao độ của điểm quan trắc. Tuy nhiên, nếu mục tiêu chính là theo dõi chuyển dịch đứng với yêu cầu độ chính xác cao, thủy chuẩn hình học chính xác thường là phương pháp cần được ưu tiên xem xét tùy yêu cầu dự án. Không nên mặc định một máy toàn đạc có độ chính xác đo góc cao sẽ luôn cho kết quả cao độ tốt hơn phương pháp thủy chuẩn.

Quan trắc lún bằng GNSS

GNSS có thể được sử dụng trong quan trắc biến dạng đối với các công trình quy mô lớn như cầu, đập hoặc những hệ thống cần theo dõi liên tục. Ưu điểm là có khả năng xác định chuyển dịch ba chiều và thuận lợi cho tự động hóa. Tuy nhiên, thành phần độ cao GNSS thường nhạy cảm hơn thành phần mặt bằng và chịu ảnh hưởng của hình học vệ tinh, multipath, môi trường anten, phương pháp xử lý và hệ quy chiếu. Vì vậy không nên đơn giản sử dụng một Rover RTK đo cao độ tại nhiều thời điểm rồi coi đó là hệ thống quan trắc lún chính xác cao. Phương pháp GNSS phải được thiết kế phù hợp với độ chính xác và đặc điểm của công trình.

Quy trình quan trắc lún công trình

Quy trình thường bắt đầu bằng việc khảo sát công trình và thu thập hồ sơ để xác định mục tiêu, khu vực cần theo dõi và yêu cầu độ chính xác. Tiếp theo là thiết kế hệ thống mốc chuẩn và mốc quan trắc, lựa chọn thiết bị, xây dựng sơ đồ tuyến và phương pháp đo. Sau khi mốc ổn định, thực hiện chu kỳ quan trắc ban đầu để xác lập số liệu gốc. Các chu kỳ tiếp theo được thực hiện theo kế hoạch và trong điều kiện đo càng thống nhất càng tốt. Dữ liệu sau mỗi chu kỳ được kiểm tra, tính toán, bình sai và so sánh với chu kỳ trước cũng như chu kỳ gốc. Toàn bộ quy trình có thể ghi nhớ theo thứ tự: Khảo sát → Thiết kế mốc → Đo chu kỳ gốc → Đo lặp → Bình sai → Tính độ lún → Phân tích xu hướng → Lập báo cáo.

Cách tính độ lún giữa các chu kỳ

Giả sử một mốc có cao độ tại chu kỳ 0 là 10,1250 m, chu kỳ 1 là 10,1215 m, chu kỳ 2 là 10,1190 m và chu kỳ 3 là 10,1180 m. Nếu lấy chu kỳ 0 làm gốc thì độ lún tích lũy tương ứng là 0 mm, 3,5 mm, 6,0 mm và 7,0 mm. Tuy nhiên, giá trị lún tích lũy chưa phản ánh đầy đủ diễn biến của công trình. Cần xem xét cả thời gian giữa các chu kỳ để đánh giá tốc độ lún. Nếu từ chu kỳ 1 đến chu kỳ 2 công trình lún thêm 2,5 mm trong 30 ngày thì tốc độ lún trung bình khoảng 0,083 mm/ngày. Nếu trong 30 ngày tiếp theo chỉ lún thêm 1 mm thì tốc độ đã giảm. Việc đánh giá xu hướng phải dựa trên chuỗi số liệu đủ dài và đáng tin cậy, không nên kết luận từ một hoặc hai phép đo riêng lẻ.

Lún lệch và ý nghĩa trong quan trắc

Lún lệch xảy ra khi các vị trí trên cùng một công trình có mức lún khác nhau. Ví dụ điểm A lún 5 mm nhưng điểm B lún 15 mm thì chênh lệch lún giữa hai điểm là 10 mm. Khi biết khoảng cách giữa các điểm, có thể tiếp tục đánh giá các chỉ tiêu biến dạng tương đối hoặc độ nghiêng theo yêu cầu kỹ thuật của công trình. Trong nhiều trường hợp, lún lệch cần được quan tâm đặc biệt vì nó có thể tạo ra biến dạng trong kết cấu ngay cả khi độ lún tuyệt đối của từng điểm chưa lớn.

Bình sai số liệu quan trắc lún

Số liệu quan trắc cần được kiểm tra sai số khép, chất lượng trị đo và thực hiện bình sai khi mạng có trị đo dư. Bình sai giúp xác định giá trị cao độ hợp lý và đánh giá chất lượng của mạng quan trắc. Với hệ thống có nhiều mốc chuẩn, quá trình xử lý còn phải xem xét tính ổn định của các mốc qua từng chu kỳ. Đây là lý do mốc chuẩn ổn định được xem là nền tảng của quan trắc lún. Một mốc chuẩn dịch chuyển nhưng không được phát hiện có thể khiến toàn bộ chuỗi kết quả bị hiểu sai.

Những sai số thường gặp khi quan trắc lún

Sai số có thể xuất phát từ thiết bị, mia, mốc, người đo và môi trường. Các lỗi thường gặp gồm mia không thẳng, chân mia không ổn định, khoảng cách ngắm không phù hợp, tia ngắm quá sát mặt đất, ảnh hưởng nhiệt độ, máy chưa ổn định, mốc bị va chạm, nhầm mã mốc hoặc nhập sai số liệu. Ngoài ra, thay đổi tuyến đo, thay đổi mốc chuẩn hoặc thay đổi phương pháp giữa các chu kỳ mà không có xử lý kỹ thuật phù hợp cũng có thể ảnh hưởng đến tính đồng nhất của chuỗi quan trắc.

Phân biệt lún, nghiêng và chuyển dịch ngang

Lún là chuyển dịch chủ yếu theo phương đứng; chuyển dịch ngang là sự thay đổi vị trí của điểm trong mặt bằng; còn nghiêng liên quan đến sự thay đổi phương hoặc chênh lệch chuyển dịch giữa các vị trí trên công trình. Một công trình có thể đồng thời xuất hiện lún, nghiêng và chuyển dịch ngang. Vì vậy, với các dự án quan trọng, phương án quan trắc có thể cần kết hợp nhiều loại thiết bị và phương pháp thay vì chỉ theo dõi cao độ.

Thiết bị sử dụng trong quan trắc lún

Tùy yêu cầu kỹ thuật, có thể sử dụng máy thủy bình chính xác, máy thủy bình điện tử, máy toàn đạc điện tử hoặc hệ thống GNSS. Máy thủy bình phù hợp với chuyển dịch đứng; máy toàn đạc thuận lợi khi cần xác định cả biến dạng mặt bằng và cao độ; GNSS phù hợp với một số mạng quy mô lớn hoặc quan trắc liên tục. Ngoài ra, các công trình hiện đại có thể kết hợp cảm biến nghiêng, cảm biến dịch chuyển và hệ thống tự động thu nhận dữ liệu. Không có một thiết bị tối ưu cho mọi công trình; lựa chọn phải dựa trên độ chính xác yêu cầu, quy mô, điều kiện thực địa và mục tiêu quan trắc.

Chu kỳ quan trắc lún bao lâu một lần?

Không có một khoảng thời gian cố định áp dụng cho tất cả công trình. Tần suất đo phụ thuộc vào giai đoạn thi công, thay đổi tải trọng, đặc điểm nền móng, tốc độ biến dạng và yêu cầu của phương án quan trắc. Khi công trình đang tăng tải hoặc có dấu hiệu biến dạng nhanh, chu kỳ có thể được bố trí dày hơn. Khi kết quả cho thấy công trình dần ổn định, khoảng thời gian giữa các lần đo có thể được điều chỉnh theo phương án được phê duyệt. Nếu xuất hiện biến động bất thường, cần xem xét tăng tần suất quan trắc để có đủ dữ liệu đánh giá.

Hồ sơ quan trắc lún gồm những gì?

Một bộ hồ sơ quan trắc thường bao gồm sơ đồ bố trí mốc, mô tả mốc, số liệu đo từng chu kỳ, kết quả bình sai, bảng cao độ, bảng độ lún, tốc độ lún, biểu đồ diễn biến và nhận xét kỹ thuật. Trong đó, biểu đồ lún theo thời gian là công cụ trực quan để nhận biết điểm nào đang lún nhanh, điểm nào có dấu hiệu ổn định và vị trí nào có diễn biến khác thường so với toàn bộ công trình.

Kết luận

Quan trắc lún công trình là quá trình đo lặp tại các mốc cố định qua nhiều chu kỳ nhằm xác định sự thay đổi cao độ và đánh giá diễn biến biến dạng theo thời gian. Trong đó, thủy chuẩn hình học chính xác là phương pháp quan trọng đối với chuyển dịch đứng; máy toàn đạc và GNSS có thể được sử dụng trong những phương án phù hợp với mục tiêu quan trắc. Độ tin cậy của kết quả không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của máy mà còn phụ thuộc vào mốc chuẩn ổn định, thiết kế mạng hợp lý, quy trình đo nhất quán, bình sai số liệu và phân tích đúng chuỗi quan trắc. Có thể ghi nhớ ngắn gọn: Mốc chuẩn ổn định → Đo chu kỳ gốc → Đo lặp định kỳ → Bình sai → So sánh cao độ → Tính độ lún → Phân tích xu hướng.