Một số điểm cần lưu ý khi thiết kế ổn định và thi công phần tầng hầm

Vấn đề thiết kế đảm bảo ổn định và an toàn thi công đào sâu trong nền đất luôn là bài toán khó, thậm chí rất khó vì dù có nhiều tiến bộ trong tính toán mô phỏng dựa trên các mô hình toán

MỘT VÀI ĐIỂM CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH VÀ THI CÔNG PHẦN TẦNG HẦM

PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

TÓM TẮT:

Không gian ngầm tại các thành phố lớn có rất nhiều công trình xây dựng: hệ thống ống cấp - thoát nước và trạm bơm trung chuyển nước thoát; hệ thống giao thông ngầm; hệ thống móng sâu và các tầng ngầm của công trình dân dụng – công nghiệp; hệ thống cọc chống sét; Thành phố Hồ Chí Minh chuyển mình sang một thành phố hiện đại nên đang xây dựng rất nhiều các loại công trình ngầm và đã xảy

ra không ít sai sót trong tính toán và thi công gây hậu quả không nhỏ Báo cáo này đề cập đến một số điểm cơ bản trong tính toán ổn định nền đất bên dưới và xung quanh công trình ngầm trong quá trình thi công - khai thác

ABSTRACT:

Big city subground space has a lot of structures: tunels; deep foundations; subsoil basements; HoChiMinh City is becoming a mordern big city those constructions have structure parts which is placed in subground This paper presents the performance of a braced excavation with diaphragm wall in the soil

I TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NGẦM:

Công trình ngầm luôn luôn chịu hệ áp lực và tác động xung quanh như: áp lực đất

do trọng lượng bản thân cộng với ảnh hưởng của các công trình lân cận; áp lực nước tĩnh và động phụ thuộc dao động mực nước ngầm; các sóng ứng suất do các phương tiện giao thông gây ra; Xây dựng công trình ngầm gồm hai giai đoạn chính: đào đất và xây kết cấu công trình Phần ngầm càng sâu thì loại áp lực - tác động càng nhiều và lớn, công tác chống đỡ càng khó khăn

Vấn đề thiết kế đảm bảo ổn định và an toàn thi công đào sâu trong nền đất luôn là bài toán khó, thậm chí rất khó vì dù có nhiều tiến bộ trong tính toán mô phỏng dựa trên các mô hình toán diễn tả được ứng xử đất nền khá gần với ứng xử thực tế, vẫn còn những sụp đổ công trình loại này như trạm bơm nước thải Bangkok – Thái Lan có kích thước 20,3m đường kính, sâu 20,2m, bị sập ngày 17 – 8 – 1997 khi vừa hoàn tất công tác đào và lắp đặt hệ thanh chống Kết cấu của công trình gồm hệ tường vây (diaphragm wall) giữ vai trò như tường chắn khi thi công đào sâu và giữ vai trò tường hầm sau khi đúc bê tông các bản sàn hầm, (hình 2 và hình 9) Đặc biệt, công trình này có kích thước hoàn toàn giống một công trình tương tự đã thi công thành công ở Frankfurt – Đức

Trong nước đã có không ít công trình đào đất xây công trình ngầm bị hư hỏng trong quá trình thi công gây hư hỏng các công trình lân cận

Các hư hỏng – sập đổ khi đang đào đất có ba dạng chính:

- Đào trần không có hệ chống bị trượt mái dốc gây sập đổ công trình lân cận và gãy các cọc của công trình sắp xây, (hình 1)

- Đào có hệ tường chắn đất và hệ chống nhưng chống không đủ hoặc tường không đủ bền vững bị thủng hoặc gãy, làm sập đổ công trình lân cận

- Các máy đào tự động bị chìm trong nền đất yếu do phương án đào chưa được phân tích – tính toán đầy đủ

Hình 1: Hệ cọc ống bị nghiêng do mái đất trượt khi đào trần ở TP.HCM, năm 2006

Hình 2 : Trạm bơm nước thải bị sập trong quá trình đào đất năm 1997 ở Bangkok

Trong cáo cáo này chỉ đề cập đến vấn đề đào đất để xây dựng phần ngầm của công trình nhà trung và cao tầng

II KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT - CÔNG TRÌNH XUNG QUANH VÀ LỰA CHỌN HỆ THỐNG CHỐNG ĐỞ ĐỂ CÓ THỂ ĐÀO ĐẤT:

Để xây dựng nền móng và phần ngầm của công trình cần phải khảo sát cẩn thận đất nền và công trình xung quanh nhằm lựa chọn giải pháp chống đở khi thi công móng và phần ngầm

II.1./ Khảo sát địa chất công trình - thủy văn và hệ nền móng các công trình lân cận:

Khi cần đào hố móng hoặc đào sâu xây dựng các tầng hầm điều kiện cần là phải khảo sát địa chất thủy văn và công trình thật cẩn thận ngay bên dưới công trình sắp xây và các công trình lân cận ít nhất phải bằng 0,7 lần cạnh ngắn hố đào, vì khu vực thay đổi ứng suất trong đất nền ảnh hưởng sang xung quanh ít nhất bằng 0,7 lần đường kính hoặc cạnh hố đào Trong thí nghiệm xác định các đặc trưng chống cắt của đất nền nhất thiết phải có thí nghiệm nén 3 trục với 2 phương pháp thoát nước và không thoát nước vì trong đào hố móng thì giảm áp lực ngang của khối đất xung quanh hố đào và giảm áp lực đứng của khối đất bên dưới hố đào, nên chỉ với thí nghiệm cắt trực tiếp sẽ không có đặc trưng chống cắt đủ chính xác để tính toán ổn định hoặc mô phỏng các giai đoạn đào đất Mặt khác, cũng phải biết rõ cao độ mực nước ngầm thay đổi trong suốt năm và sau những trận mưa

to hoặc những đợt mưa thật to vì nước ngầm ảnh hưởng rất mạnh lên giá trị áp lực ngang xô lên hệ tường chắn và tính chất lưu chuyển của đất nền nhất là cát

II.2./ Các dạng hệ thống chống đở đất cho hố đào:

Tất cả các giải pháp điều phải thỏa điều kiện sách riêng cho từng công trình về chuyển vị ngang của thành hố đào để đảm bảo nền các công trình lân cận

Tường cọc bản thép (cừ Larsen) và hệ thanh chống thép hình tròn hoặc chữ I, đây là phương pháp cổ điển nhất, thi công nhanh nhưng độ cứng tường không lớn nên lượng thanh chống lớn, không gian đào đất chật hẹp (xem hình 3)

Hình 3: Tường chống bằng cọc bản thép

Tường rảnh bê tông cốt thép đúc tại chổ tính toán ổn định theo phương pháp thi công top-down (thi công sàn từ bên trên xuống dưới) hoặc phương pháp cổ điển đào đến bản hầm dưới cùng, rồi xây từ dưới lên kết hợp hệ thanh chống thép hình hoặc hệ thống neo để giữ ổn định hố đào suốt thời gian thi công các tầng hầm

Hình 4: Thi công Top - Down

Hình 5: Thi công đào đất đến tận bản đáy, tường rảnh được giữ bằng thanh chống và neo

Tường rảnh cọc thép hình kết hợp bê tông đúc tại chỗ, thi công theo đào đất theo phương pháp cổ điển

Hình 6: Tường rảnh cọc thép nhồi bê tông

Tường cọc nhồi bê tông cốt thép: cũng có thể chọn giải pháp tạo những cọc nhồi liền khít nhau thành tường chắn để đào hố móng xây tầng hầm, giải pháp này nhằm bảo vệ nền công trình liền kề một cách an toàn nhưng tốn nhiều không gian ngầm

Hình 7: Tường cọc nhồi bê tông cốt thép

Tường cọc bản hoặc bê tông chế tạo sẵn kết hợp đan bê tông cốt thép cho hầm nông và nền là đất dính trạng thái dẻo đến cứng

Hình 8: Tường cọc kết hợp bản bê tông cốt thép Ngoài các giải pháp trên còn có giải pháp hỗn hợp: dùng tường cọc bản kết hợp hệ thanh chống xây dựng phần ngầm theo chu vi công trình, sau đó đào phần ngầm ở giữa

Hình 9: Phương pháp hỗn hợp xây dựng phần ngầm xung quanh trước

Rõ ràng các giải pháp chống đở khi thi công móng và phần ngầm đều có ảnh hưởng nhất định đến nền móng và phần ngầm các công trình lân cận

III NHỮNG YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG PHẦN NGẦM: III.1/ Hệ tường chắn phải đạt yêu cầu kỹ thuật

Hệ tường chắn phải đạt yêu cầu chắn được cả đất và nước trong suốt quá trình đào đất – thi công phần ngầm công trình Đối với công trình tường bê tông cốt thép đúc tại chổ phải kiểm tra chất lượng bê tông phải đạt liên tục và đạt cường độ theo yêu cầu của điều kiện sách chung và riêng cho công trình xây dựng, nếu có lỗ rỗng hoặc bê tông không đạt phải khoan phục vữa cường độ cao vào khu vực vừa nêu đến khi đạt yêu cầu Bằng không khi đang đào đất nước ngầm ngấm qua khoảng rỗng này lôi kéo theo đất đặc biệt khi nền là cát đi vào trong hố đào Quá trình hỗn hợp đất nước đi qua lỗ rỗng của tường sẽ phá rộng phần trống của bê tông theo nguyên tắc xói ngược, đến lúc này rất khó ngăn chận được dòng chảy và hậu quả là nền của công trình bên trên khu vực mất đất sẽ bị lún mạnh

dẫn đến sập đổ, như công trình P trên đường Nguyễn Thị Minh Khai TP.HCM Năm 1995, công trình S trên đường Lê lợi TP.HCM có hư hỏng tương tự nhưng nhờ phát hiện kịp thời, đã khoan phụt vữa – bê tông vào khu vực bê tông xấu sau đó kiểm tra lại đạt yêu cầu đề ra mới bắt đầu thi công phần ngầm nên đã tránh được hư hỏng

III.2/ Hệ thanh chống phải đủ mạnh để hạn chế chuyển vị ngang của tường

Nếu chọn phương pháp cổ điển đào đến bản hầm dưới cùng xây từ dưới lên kết hợp hệ thanh chống thép cần phải tính toán đúng lực tác động lên từng thanh và hệ thanh hoặc phải lắp các đầu dò ứng suất để biết được lực các thanh đang phải gánh chịu nhằm tránh sự quá tải của các thanh dẫn đến gảy thanh, sập hệ tường chống

Hình 9: Thiếu 3 lớp thanh chống dẫn đến sập hố đào năm 1997 ở Bangkok

Hiện nay, đã có hệ thanh có thể điều chỉnh chiều dài nhằm hạn chế chuyển vị ngang của tường

Hình 10: Hệ thanh chống có thể điều chỉnh chiều dài

ở trạm bơm Nhiêu Lộc Thị Nghè, TP.HCM

Nếu chọn phương pháp thi công Top-Down (thi công sàn từ bên trên xuống dưới), hệ dầm sàn thi công trước trở thành hệ thanh chống hố đào, chỉ xét riêng vấn đề ổn định hệ tường thì phương pháp này đòi hỏi thời gian chờ đợi để hệ dầm sàn đủ cứng, mới tiếp tục đào qua các tầng ngầm tiếp theo thông qua các lỗ cầu thanh và lỗ chờ Phương pháp này giảm chi phí đáng kể do không dùng hệ thanh chống

Để giảm áp lực đất lên tường chắn có hai cách:

Cách 1: hạ mực nước ngầm bên ngoài công trình đồng thời với hạ mực nước ngầm bên trong hố đào, nếu có thể

Cách 2: tăng lực dính của đất lân cận bên ngoài tường bằng cọc đất trộn xi măng

III.3/ Đáy hố đào phải luôn ổn định trong quá trình đào:

Nếu chỉ xét riêng vấn đề ổn định của nền đất có hai vấn đề cần phải giải quyết:

* Vấn đề cân bằng ổn định của đáy hố đào: khi bắt đầu đào hố xây phần ngầm, đất

ở đáy hố đào giảm áp lực đứng có khuynh hướng nở ra Mặt khác, nếu xét mặt phẳng ngang qua đáy hố đào, phần đất bên trên đáy hố đào có thể xem như tải ngoài và gây ra trượt trồi, điều này cũng có nghĩa đất nền chuyển vị từ ngoài vào hố đào, có thể gây nghiêng hoặc gãy cọc nằm trong vùng này

* Vấn đề nước ngấm vào đáy hố đào: khi hạ mực nước ngầm bên trong hố đào thì nước có khuynh hướng đi vào hố đào xuyên qua tường, nếu tường chắn tốt thì nó đi vòng xuống qua chân tường vào hố đào, để hạn chế lưu lượng nước vào hố đào Hoặc đưa chân tường chắn đến lớp đất sét ít thấm, nếu không có lớp sét thích hợp thì phải tạo ra lớp chống thấm bằng cách trộn xi măng, vôi vào lớp đất thấm ở chiều sâu thích hợp, nghĩa là phải tính toán độ sâu hợp lý theo cân bằng ứng suất vì chận nước thì nước sẽ tác động lực đẩy nổi vào lớp chống thấm này

IV TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH QUÁ TRÌNH THI CÔNG PHẦN NGẦM

Bài toán ổn định gồm ba vấn đề: ổn định tường chắng – hệ chống đỡ (thanh chống hoặc neo); lún xung quanh hố đào và ổn định đáy hố đào Phương pháp tính hoặc theo cơ học đất phổ thông hoặc cơ học đất tới hạn với các chương trình tính tự động

IV.1/ Tính toán ổn định của tường chắn và hệ chống:

Ba dạng cơ bản giữ ổn định tường trong quá trình đào đất

Hình 11: a/ Ổn định tường bằng neo;

b/ Ổn định tường bằng phương pháp top-down;

c/ Ổn định tường bằng thanh chống

Nội dung tính toán ổn định của “tường – hệ chống” gồm đảm bảo: cân bằng moment; cân bằng lực ngang; cân bằng lực đứng của cả hệ thống và không có hiện tượng vượt ứng suất cục bộ Ổn định được tính với đặc trưng chống cắt – biến dạng của đất nền: tức thời (short term) cu 0; u = 0; Eu và lâu dài (long term) c’ = 0; ’  0; E’

Trong quá trình đặt tường chắn vào nền đất (cọc bản thép hạ bằng đóng hoặc rung; tường vây – cọc nhồi bằng cách đào nhồi bê tông) nền đất dọc theo tường đã bị lún, giá trị độ lún này tùy thuộc vào loại đất và độ sâu cọc Tiếp đến là giai đoạn đào đất – hạ mực nước trong hố đào tạo ra sự thay đổi trường ứng suất trong vùng đất xung quanh và bên dưới hố đào, sự thay đổi này phát sinh áp lực đất và áp lực nước lên tường chắn, hơn thế nữa còn xuất hiện hệ dòng nước ngấm vào trong hố đào

Năm 1994 Pradel sắp xếp cách tính áp lực đất thành ba nhóm:

- Nhóm áp dụng lý thuyết giới hạn dẻo dọc theo các mặt trượt riêng như: Brinch-Hansen, 1953; Sokolovski, 1960; theo biên dưới có Rankine, 1957; Arai – Junk, 1990; theo biên trên có James – Brandsby, 1971; Chen, 1975

- Nhóm chọn lựa các mặt trượt, rồi xác định các lực tác động lên biên khối trượt như: Coulomb, 1773; Janbu, 1957; Bang, 1985

- Nhóm dựa trên quan hệ ứng suất – biến dạng của đất (cơ học đất tới hạn) và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Đặc biệt khi tính toán áp lực đất dính lên tường chắn thường làm cho các kỹ sư rất dễ chủ quan vì áp lực có được thường rất bé thậm chí không cần tường chắn! Vì áp lực chủ động của đất tác dụng lên tường có dạng a  K a z2c K a có thể suy ra độ sâu zc mà ở đó a = 0

a

c

K

c z



2



Nếu đất nền có trọng lượng riêng  = 18 kN/m3, góc ma sát c = 50 kPa và  = 200, mặt đất nằm ngang và lưng tường thẳng đứng thì zc = 7,9m, có nghĩa là đào từ mặt đất đến độ sâu 7,9m không cần che chắn! Điều phi lý này dẫn đến một số quy phạm quy định không tính lực dính vào áp lực chủ động lên tường Tuy nhiên trong thực tế vẫn có thể đào trong đất dính đến 3-4m không cần chắn, nhưng phải trong điều kiện nhất định như độ ẩm thay đổi không nhiều trong quá trình đào

IV.2/ Ước lượng độ lún mặt đất xung quanh hố trong quá trình đào đất

Trong quá trình đào đất gây thay đổi trường ứng suất trong toàn khu đất làm tường dịch chuyển vào trong, nền đáy hố đào vồng lên và khối đất xung quanh hố đào lún xuống, đây là nguyên nhân làm hư hỏng các công trình lân cận

Độ lún mặt đất xung quanh hố đào do: lắp đặt tường chắn; chuyển vị tường khi đào đất; lắp đặt hệ neo; hạ mực nước ngầm và đặt biệt nghiêm trọng là do đất di chuyển theo dòng nước ngầm

* Lún xung quanh do lắp đặt tường: trong bài báo của Fujita năm 1994 cho thấy độ lún của đất xung quanh chiếm 50% do hạ và nhổ cọc bản dài 14,5m, [4] Theo Burland-Hancok, năm 1977; Lehar, năm 1993 và Wong, năm 1998, khi xây dựng tường vây bê tông cốt thép đổ tại chổ gây ra độ lún đất xung quanh chiếm khoảng 50% đến 60%

* Lún xung quanh do chuyển vị tường chắn:

Độ lún xung quanh do chuyển vị tường chắn phụ thuộc vào một số nhân tố: loại và độ cứng của hệ chống; vị trí điểm chống; độ cứng của tường

Nếu điểm chống xa đỉnh tường, đoạn tường trên điểm chống ứng xử như dầm consol, dịch chuyển ngang của tường giúp cho độ lún của mặt đất đạt cực đại cạnh tường, ngược lại, nếu điểm chống ngay cạnh đỉnh tường sẽ hạn chế dịch chuyển đỉnh tường gây độ lún cực đại mặt đất xung quanh cách đỉnh tường một khoảng nhất định

Theo Clough – O’Rourke năm 1990, khi công trình đào đạt ổn định tốt thì chuyển dịch ngang lớn nhất của tường khoảng 0,2% chiều sâu đào và độ lún mặt đất xung quanh

đạt cực đại khoảng 0,15% chiều sâu đào, cho tường vây và tường cọc nhồi Cũng theo hai tác giả này phạm vi lún ảnh hưởng đến 2 lần chiều sâu đào, trong đó phần lún nhiều ảnh hưởng 0,75 lần chiều sâu đào Mặt khác, Ducan – Bentler năm 1998, tỷ số giữa độ lún cực

đại mặt đất xung quanh với chuyển vị ngang cực đại có biến động rộng hơn từ 0,25 đến 4 lần Các nhân tố gây lún lớn không nhất thiết gây chuyển vị ngang lớn, nhưng chuyển vị ngang lớn luôn gây độ lún lớn

* Lún xung quanh do lắp đặt hệ neo: khi khoan để tạo hệ neo gây mặt đất xung quanh tùy thuộc loại đất nền, theo ghi nhận của Kempfert năm 1999 cho thấy khi khoan neo trong nền sét mềm đã gây độ lún xung quanh đạt 70% độ lún tổng, tại Constance – Đức

* Lún xung quanh do bơm nước hạ mực nước ngầm:

Theo nguyên lý căn bản, đất sét cố kết thường lún nhiều hơn đất sét cố kết trước khi hạ mực nước ngầm trong quá trình đào đất

Tóm lại, để tiên đoán độ lún xung quanh hố đào bằng phương pháp phần tử hữu hạn có thể mô phỏng hầu hết các nguyên nhân trên, nhưng cho đến nay, một vài nhân tố rất khó mô phỏng như: rung hạ cọc, độ rung do tải xe chạy gần công trình

Trong khi đó các phương pháp tính toán bán thực nghiệm cũng có thể tính được độ lún xung quanh do tường dịch chuyển Đầu tiên phải kể đến tổng kết của Peck, năm 1969, ông cho rằng độ lún xung quanh hố đào đạt 1% chiều sâu đào khi đào trong cát và sét từ mềm đến cứng, và hơn 2% cho sét yếu dầy Tuy nhiên, với phương pháp thiết kế mô phỏng tốt và những công nghệ thi công tạo những tường chắn cứng hơn như tường vây dầy và tường liên kết bởi các cọc nhồi đường kính lớn, độ lún xung quanh hố đào giảm dần Trong báo cáo tổng kết nhiều công trình đào xây phần ngầm trên thế giới công bố năm 1998 của Duncan – Bentler, độ lún cực đại trung bình trong giai đọan từ 1962 – 1975 là 1,3% chiều sâu đào và giai đọan từ

1990 – 1998 là 0,4% chiều sâu đào Tuy nhiên, với phương pháp thanh chống mạnh và kích thay đổi chiều dài được, có thể giữ độ lún lớn nhất của mặt đất xung quanh tường ở mức 0,15% chiều sâu đào và chuyển vị tường cực đại khoảng 0,2% chiều sâu đào

IV.3/ Tính ổn định đất nền ở đáy hố đào:

Có khá nhiều công thức tính toán ổn định đáy hố đào, nhưng tựu trung lại gồm 3 nhóm chính:

- đầu tiên phải kể đến công thức của Terzaghi năm 1943 cho trường hợp hố đào nông và rộng (h/b <1) với 2 trường hợp: (hình 13)

Chiều sâu lớp đất dưới đáy hố đào r > 0,7b, công thức tính hệ số an toàn FS của đất đáy hố đào có dạng

5, 7 2

u

u

c FS

c h

b







Khi r < 0,7b, 5, 7 u

u

c FS

c h

r





  

Trong đó cu là sức chống cắt không thoát nước của đất nền

 trọng lượng riêng của đất nền

h và r như hình 13

- Công thức tính ổn định đáy hố móng có chống của Bjerrum có dạng:

c u

N c FS

h p





Trong đó Nc là hệ số sức chịu tải

p là áp lực trên mặt đất xung quanh hố móng

- Căn cứ trên nguyên tắc công ảo để phân tích cơ chế trượt của đáy hố đào có dạng theo hình 15, năm 1997 Kempfert và Stadel đề xuất công thức tính

FS

 





Trong đó các thông số định nghĩa như trong hình 15

Hình 14: Tính toán ổn định đáy hố đào sâu theo Bjerrum (năm 1956) Hình 13: Cân bằng ổn định đáy hố đào sâu theo Terzaghi (năm 1943)