Vấn đề về thiết kế và thi công tường chắn, hố đào sâu

Một số vấn đề liên quan tới bài toán tường chắn theo nghiên cứu & kinh nghiệm từ các công trình trong quá khứ của các tác giả nước ngoài được tổng hợp lại nhằm rút ra kinh nghiệm cho côn

MỘT VÀI VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ & THI CÔNG

TƯỜNG CHẮN – HỐ ĐÀO SÂU

KTS TRẦN SONG SƠN

Công ty TNHH Tư vấn DP

TÓM TẮT:

Hố đào sâu & tường chắn cho các công trình ngầm là bài toán địa kỹ thuật khá phức tạp Các công trình cao tầng & nhiều tầng hầm xuất hiện ngày càng nhiều

ở Việt Nam cùng với tốc độ phát triển đô thị Công trình ngầm luôn tiềm ẩn các sự cố & ảnh hưởng tới công trình lân cận Một số vấn đề liên quan tới bài toán tường chắn theo nghiên cứu & kinh nghiệm từ các công trình trong quá khứ của các tác giả nước ngoài được tổng hợp lại nhằm rút ra kinh nghiệm cho công tác thiết kế & thi công phần ngầm ở Việt Nam Các thiếu sót trong qui trình khảo sát

& thiết kế trong nước hiện tại cũng được đề cập tới Dự vào đó, tác giả đề xuất các biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng thiết kế & giảm thiểu nguy cơ rủi ro cho các công trình ngầm

ABSTRACT:

Deep excavation and retaining wall is a complicated geotechnical problem At present, a lot of high-rise & multi-basements has been developing in Vietnam together with the fast development of its major urban Deep basement has many potential risks of failure as well as negative influences to nearby properties This paper reviews several researches of well-known authors & experiences accumulated from past foreign projects to point out critical issues to be concerned during the design & construction of deep excavation Typical shortcomings of current practices in Vietnam of site investigation, design & construction are also addressed Based on what is found, the author proposes several procedures to improve the quality of deep excavation design & construction to minimize potential failures

I GIỚI THIỆU

Xây dựng nhà cao tầng trong đô thị đặc biệt là trong các khu phố cũ luôn đi kèm với việc xây dựng tầng hầm với mục đích cung cấp chỗ đậu xe, bố trí hệ thống kỹ thuật … Trong điều kiện quỹ đất nội thị trở nên khan hiếm & có giá trị cao, việc tận dụng hết đất cho việc xây dựng tầng hầm là điều tất yếu Bên cạnh đó, qui mô công trình & chiều cao tầng càng tăng thì yêu cầu diện tích đậu xe càng lớn Do vậy, số lượng tầng hầm sẽ cần tăng theo để thỏa mãn yêu cầu này

Như vậy, khi số lượng tầng hầm tăng hố đào phần ngầm sẽ sâu hơn cũng như chủ đầu tư mong muốn tận dụng hết diện tích đất để xây tầng hầm sẽ đặt ra những vấn đề kỹ thuật khá phức tạp cần phải giải quyết để đảm bảo có thể hoàn thành công trình và không ảnh hưởng tới các công trình & hệ thống hạ tầng kỹ thuật lân cận

Mục đích của bài viết này nhằm giới thiệu một số vấn đề liên quan tới bài toán hố đào và đóng góp một số ý kiến về nhược điểm của khảo sát & thiết kế công trình hố đào sâu ở Việtnam hiện nay; qua đó nhằm rút kinh nghiệm cho các dự án sắp tới

II MỘT SỐ VẤN ĐỀ QUAN TÂM KHI THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU

Hố đào & các hệ tường chắn và giằng chống

Tùy vào chiều sâu & kích thước hố đào các loại tường chắn & hệ giằng chống sau đây được áp dụng khá phổ biến:

- Tường ván cừ thép: cấu tạo bằng các thanh cừ ván thép thi công bằng búa rung hoặc búa đóng Các thanh cừ liên kết với nhau bằng móc tạo thành tường chắn liên tục Tường ván cừ thép có độ cứng thấp thích hợp cho các hố đào không quá sâu

- Tường cọc khoan nhồi liên tục: cấu tạo bằng các cọc khoan nhồi BTCT khoảng cách gần nhau Loại tường này sử dụng khi mực nước ngầm sâu & điều kiện địa chất tương đối tốt

- Tường trong đất BTCT (diaphragm wall): cấu tạo bằng các panel BTCT đổ tại chỗ trong dung dịch sét liên tiếp nhau tạo thành tường liên tục trong đất Loại tường này có độ cứng lớn thích hợp cho hố đào sâu (2 tầng hầm trở lên) và thường được kết hợp sử dụng làm tường tầng hầm vĩnh cửu của công trình

- Tường bằng cọc ximăng đất: Kiểu tường này là các cọc ximăng-đất thi công bằng các phương pháp trộn sâu hoặc bơm vữa áp lực cao để tạo thành hỗn hợp ximang-đất có chỉ tiêu cơ lý rất cao so với đất nguyên thổ tạo thành hệ tường chắn đất không thấm nước

Ở Việt Nam hiện tại phổ biến áp dụng 3 loại tường chắn đầu tiên

Hệ chống đỡ sử dụng cho tường chắn hố đào bao gồm:

- Tường chắn dạng công xôn không chống

- Tường chắn kết hợp neo đất phía sau tường: một hoặc nhiều tầng neo

- Tường chắn có hệ văng chống bằng thép hình: một hoặc nhiều tầng chống

Việc lựa chọn hệ tường chắn & giằng chống phụ thuộc các yếu tố sau:

- Đặc điểm, kết cấu & nền móng của công trình lận cận

- Điều kiện địa chất & mực nước ngầm của khu vực xây dựng công trình

- Điều kiện thi công & điều kiện công trường

- Giới hạn biến dạng tường & nền quanh khu vực đào

- Chi phí & tiến độ xây dựng

- Kinh nghiệm về địa chất công trình ở khu vực xây dựng

- Khả năng của máy móc & trình độ thi công

Hình 1 – Kiểu tường chắn & hệ chống đỡ (Kempfert & Gebreselassie, 2006)

Các vấn đề liên quan tới hố đào

Đối với bài toán hố đào, tường chắn có vai trò quyết định và cần phải được kiểm tra các điều kiện ổn định lật (cân bằng moment), ổn định trượt (cân bằng lực phương ngang), khả năng chịu tải của tường chắn (cân bằng lực phương đứng), độ bền của kết cấu tường dưới tác động của lực dọc, lực cắt & moment, chuyển vị ngang của tường, ổn định tổng thể của tường, ổn định đất nền ở đáy hố đào Các dạng phá hoại của tường minh họa ở hình 2

Hình 2 – Các dạng phá hoại hố đào (Kempfert & Gebreselassie, 2006)

Khảo sát địa chất & thông số thiết kế của đất nền

Đối với tất cả các bài toán nền móng & địa kỹ thuật nói chung cũng như bài toán hố đào nói riêng, khảo sát địa chất có vai trò cực kỳ quan trọng do đây là khâu cung cấp số liệu đầu vào cho tất cả các giai đoạn thiết kế và thi công về sau

Thiết kế tường chắn đất đòi hỏi các dữ liệu tin cậy và chất lượng cao từ giai đoạn khảo sát để có thể có được giải pháp thiết kế an toàn và tiết kiệm nhất Để có được kết quả tin cậy từ các thí nghiệm trong phòng, đòi hỏi mẫu đất thu thập từ hiện trường có tính nguyên dạng Tuy nhiên, trên thực tế là rất khó thực hiện vì các nguyên nhân khách quan như sự mất mát ứng suất – release of insitu stress, xáo động khi đóng ống mẫu, hiệu ứng hút khi rút ống mẫu (La Rochelle et al, 1981) cũng như các nguyên nhân chủ quan do trình độ của khảo sát Do vậy, để mẫu đạt tính nguyên dạng cao nhất tới mức có thể, đòi hỏi công tác lấy mẫu hiện trường phải đảm bảo đúng qui trình kỹ thuật

Đường kính ống mẫu có ảnh hưởng tới tính nguyên dạng của mẫu Để thỏa mãn yêu cầu này, đường kính ống lẫy mẫu tối thiểu 200 mm (La Rochelle et al, 1981) Tuy nhiên trong các bài toán kỹ thuật, đường kính ống mẫu 100 mm có thể chấp nhận được

Các kiểu thiết bị lẫy mẫu khác nhau sẽ cho kết quả thí nghiệm khác nhau đáng kể trên các chỉ tiêu của đất nền Hình 3 dưới đây minh họa cho vấn đề này, trên đồ thị có thể thấy sự chênh lệch về module biến dạng khác nhau tới 5 lần giữa lấy mẫu khối và lấy mẫu bằng ống thành mỏng Shelby

Hình 3 – So sánh các đường cong ứng suất-biến dạng giữa các phương pháp lẫy mẫu khác nhau (Raymond et al, 1971 trích trong Kempfert & Gebreselassie, 2006)

Phân tích ổn định bài toán tường chắn sẽ phải thực hiện trong cả ngắn hạn & dài hạn đối với cả tường chắn tạm và tường chắn vĩnh cửu Janbu, 1977 và Clayton et al, 1993 đều kết luận rằng phân tích bài toán với thông số có hiệu của đất và phân bố ứng suất có hiệu sẽ nhiều khả năng là trường hợp nguy hiểm nhất Do vậy, thí nghiệm trong phòng phải cung cấp các thông số có hiệu (effective parameters) về sức chống cắt (c, phi) và thông số biến dạng (module) của đất nền cùng với phân bố áp lực nước lỗ rỗng để có thể tính toán chuẩn xác bài toán tường chắn Thí nghiệm ba trục với sơ đồ cố kết thoát nước (CD) hoặc cố kết không thoát nước (CU) đo áp lực nước lỗ rỗng hoặc hoặc thí nghiệm cắt phẳng với sơ đồ CD cần được thực hiện cho các mẫu đất trong phạm vi ảnh hưởng của tường chắn

Hệ số áp lực đất ở trạng thái nghỉ K0 – phản ánh tính dị hướng của đất nền - có nhiều ảnh hưởng tới kết quả tính toán của bài toán tường chắn Potts & Fourie, 1985; Potts

& Bond,1994 báo cáo chuyển vị ngang & moment uốn của tường, lực dọc trong thanh chống tăng khi K0 tăng Khi sử dụng các chương trình phần tử hữu hạn để phân tích bài toán tường chắn như PlaxisTM 2D, K0 là thông số đầu vào để xác định phân bố ứng suất đất nền của mô hình tính Do vậy, sẽ ảnh hưởng đáng kể tới kết quả đầu ra Để có thể có được giá trị K0 tương đối chính xác đòi hỏi kết quả thí nghiệm trong phòng có độ tin cậy cao cho các thông số ’, Ip, wn

Xác định giá trị áp lực tiền cố kết của các lớp đất nền cũng ảnh hưởng đáng kể tới bài toán tường chắn khi đất quá cố kết nặng có tính dị hướng cao Hệ số K0 của các đất cố kết nặng khá lớn (Bowles, 1997) do vậy ảnh hưởng nhiều tới chuyển vị ngang & moment uốn của tường Thí nghiệm cố kết với độ tin cậy cao là rất cần thiết để có được thông tin về lịch sử ứng suất của đất nền Nó không chỉ có ích cho bài toán tường chắn mà còn rất hữu dụng trong việc dự báo độ lún cho các bài toán móng của công trình

Mực nước ngầm ổn định & đo áp lực nước lỗ rỗng cần được thực hiện bằng thí nghiệm piezometer với thời gian đủ dài để ghi nhận được sự dao động của mực nước dưới đất Thông tin sai về mực nước ngầm sẽ làm sai lệch khá nhiều kết quả tính toán chuyển

vị nền & nội lực tường chắn

Ảnh hưởng tới các công trình lân cận

Trong quá trình thi công đào đất, trạng thái ứng suất đất nền thay đổi do sự mất ứng suất theo phương đứng và phương ngang sẽ gây ra dịch chuyển nền Tường chắn bị biến dạng theo phương ngang do áp lực đất ở lưng tường sẽ gây lún nền phía lưng tường làm ảnh hưởng tới các công trình lân cận đặc biệt là khi công trình dạng xây chen Do vậy cần phải dự tính được độ lún nền ở khu vực lân cận hố đào để có thể dự trù mức độ ảnh hưởng tới công trình lân cận

Đa phần các sự cố của công trình hố đào phần ngầm thuộc loại lún nền xung quanh hố đào làm hư hỏng công trình lân cận do bị lún lệch Gue & Tan, 2004 thống kê được hai phần ba sự cố của 55 công trình ngầm tại Malaysia là thuộc dạng này theo bảng 1 dưới đây

Hình thức phá hoại Phá hoại tường hoàn

toàn hoặc một phần

Gây hư hỏng công trình xung quanh do lệch lún

Bảng 1 – Hình thức sự cố công trình hố đào sâu, Gue & Tan, 2004

Clough và O’Rourke, 1990 sau khi tổng hợp số liệu từ nhiều công trình đã xây dựng các biểu đồ quan hệ giữa độ lún nền xung quanh hố đào và độ sâu hố đào ở hình 4, phạm vi ảnh hưởng và phân bố độ lún với chiều sâu hố đào ở hình 5 Theo đó, độ lún nền sẽ giao động trong khoảng 0,2% đến 0,5% chiều sâu đào và bán kính ảnh hưởng có thể từ

2 lần – cho đất sét yếu & cát- tới 3 lần chiều sâu đào – cho sét cứng

Hình 4 – Quan trắc độ lún của công trình lân cận hố đào, Clough & O’Rourke, 1990

Hình 5 – Phạm vi ảnh hưởng & giá trị độ lún nền lân cận hố đào cho các loại đất nền khác

nhau, Clough & Rourke, 1990

Clough et al., 1989 cũng đề xuất biểu đồ kinh nghiệm xác định chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn theo chiều sâu hố đào & loại tường chắn cho trường hợp đất sét yếu & dẻo mềm – Hình 6 Chuyển vị ngang của tường có thể thay đổi từ 0.25% chiều sâu hố đào (tường vây BTCT, hệ số an toàn bằng 3) tới trên 3% (tường ván cừ thép, hệ số an toàn bằng 1)

Hình 6 – biểu đồ xác định chuyển vị ngang tường chắn cho đất sét yếu & dẻo mềm, Clough et al., 1989

Nghiên cứu tương tự của Peck, 1969 cho thấy phạm vi ảnh hưởng có thể lên tới 4 lần cũng như độ lún nền có thể tới 2% chiều sâu đào cho trường hợp đất yếu (hình 7)

Hình 7 – Phạm vi ảnh hưởng & độ lún nền lân cận hố đào cho các loại đất nền khác nhau (theo Peck, 1969 trích trong Bowles, 1997)

Từ các nghiên cứu của các tác giả trên, có thể dự báo sơ bộ độ lún của công trình lân cận tùy vào chiều sâu hố đào, điều kiện địa chất … Từ đó ước tính được biến dạng nền và đánh giá được mức rủi ro do thi công hố đào ảnh hưởng tới công trình lân cận theo bảng dưới đây

Cấp

rủi ro Mức độ hư

vết nứt

Biến dạng lớn nhất

1 Rất nhẹ Các vết nứt nhỏ, có thể sửa dễ

dàng khi hoàn thiện (sơn …) 0.1 – 1 mm 0.05 0.075% –

2 Nhẹ Các vết nứt dễ lấp đầy, nứt mặt

ngoài nhà có thể thấy được

0.15%

3 Trung bình Vết nứt đòi hỏi phải đục khi sửa,

khó mở cửa đi cửa sổ

5 – 15 mm hoặc số vết nứt lớn hơn 3

0.15 – 0.3%

trọng

Yêu cầu sửa chữa lớn bao gồm đập và xây lại tường, khung cửa

bị biến dạng, độ dốc sàn thấy được bằng mắt thường

15 – 25 mm, phụ thuộc số vết nứt

> 0.3%

5 Rất nghiêm

trọng

Sửa chữa lớn yêu cầu xây lại một phần hay toàn bộ công trình

Nguy hiểm do mất ổn định

> 25 mm, phụ thuộc số vết nứt

Bảng 2 – Phân loại hư hỏng công trình, Burland et al, 1977 và Boscarding & Cording,

1989

Tuy các nghiên cứu trên đây dựa vào các dữ liệu quan trắc từ các công trình trong quá khứ ở nước ngoài, nhưng nó ít nhiều có giá trị trong việc đưa ra các nhận định & đánh giá sơ bộ sự ảnh hưởng của dự án hố đào sâu tới các công trình lân cận ở Việt Nam

Ảnh hưởng của mực nước ngầm

Nước dưới đất có vai trò quan trọng đối với công trình ngầm trong cả thiết kế và thi công Khi đáy hố đào nằm dưới mực nước ngầm, chênh áp giữa bên trong và bên ngoài hố đào tạo thành áp lực nước cùng với áp lực chủ động tác động lên tường & giằng chống làm cho tường bị uốn & chuyển vị Nếu mũi tường chắn không hạ tới tầng không thấm nước, tường không phải là tường cắt dòng thấm (perfect cut-off wall), dòng thấm dưới đáy hố đào hình thành và làm giảm áp lực bị động cũng như có thể gây mất ổn định đáy hố đào do nước ngầm (boiling effect)

Nếu đáy hố đào nằm dưới mực nước ngầm, khi thi công cần phải bơm thoát nước hố đào để tạo mặt bằng thi công khô ráo, thuận tiện cho công tác beton Tuy nhiên, công tác bơm thoát nước hố đào hoặc hạ mực nước ngầm bên trong hố đào tiềm ẩn rủi ro hạ luôn mực nước ngầm bên ngoài hố đào Như vậy, làm tăng ứng suất có hiệu của nền đất xung quanh hố đào và gây lún cho các công trình lân cận

Hình 8 – Các dạng dòng chảy của nước ngầm gây lún nền – Clough & Rourke, 1990

Để có giải pháp thiết kế chuẩn xác cũng như lường trước được rủi ro do thay đổi mực nước ngầm trong quá trình thi công, nhất thiết cần phải quan trắc mực nước ngầm bằng các biện pháp tin cậy Thiếu sót trong việc cung cấp thông tin chính xác về mực nước ngầm & dự thay đổi của nó sẽ dẫn tới thiết kế quá thừa hoặc quá thiếu hoặc không dự trù được sự cố đối với công trình lân cận

Phân tích & thiết kế tường chắn

Hố đào sâu thường phải đi kèm theo với tường chắn có nhiều tầng giằng chống, thi công nhiều giai đoạn Phương pháp thiết kế trong trường hợp này có nhiều điểm khác biệt

so với hệ tường chắn không giằng chống hoặc một tầng chống Cơ bản, có các phương pháp thiết kế sau:

- Phương pháp kinh nghiệm: phát triển sau nghiên cứu của Peck & Terzaghi (1967, 1969) từ các dữ liệu thực ngiệm xây dựng biểu đồ bao áp lực & lực thanh chống

- Phương pháp dầm trên nền đàn hồi: phân tích dựa trên mô hình dầm trên nền đàn hồi Winkler, mô phỏng đất bằng các lò xo với độ cứng đàn hồi để xác định chuyển vị & moment uốn tường

- Phương pháp phần tử hữu hạn: mô phỏng đất nền bằng các mô hình nền, phân tích bằng chương trình máy tính phần tử hữu hạn để xác định chuyển vị nền, tường và nội lực tường

Bài viết này không đi sâu vào nội dung chi tiết của các phương pháp trên Nội dung &

ví dụ tính toán cụ thể có thể tham khảo trong tài liệu của Nguyễn Bá Kế, 2002 Thay vào đó, một số điểm cần lưu ý về hệ số an toàn áp dụng trong thiết kế được tóm tắt dưới đây:

Phương pháp ứng suất cho phép: nguyên tắc chung là sử dụng hệ số an toàn toàn cục khi thiết kế Có thể điểm qua một vài phương pháp sau:

- Hệ số an toàn bên áp lực bị động: Áp lực bị động sẽ được giảm bằng cách nhân với hệ số an toàn từ 1.5 – 2.0 để tính toán tường (CP2, 1951)

- Tăng chiều sâu chôn tường: dùng kết quả tính toán chiều sâu chôn tường cần thiết nhân với hệ số an toàn từ 1.0 – 2.0 để có giá trị thiết kế

- Nhân hệ số an toàn cho giá trị áp lực đất chủ động (1.25 – 1.5) và chia hệ số an toàn với giá trị áp lực đất bị động để có giá trị thiết kế

Người đọc nên tham khảo các tài liệu sau để có hướng dẫn thiết kế chi tiết: CIRIA C580, CIRIA report 104, NAVFAC DM 7.2, CP2, 1951, EM 2502, EM

1110-2-2503, EM 1110-2-2504

Phương pháp trạng thái giới hạn: trong phương pháp này, sử dụng trực tiếp hệ số giảm cường độ trên thông số kháng cắt của đất nền (c, phi) xét tới khả năng huy động áp lực đất không đạt tới giá trị lớn nhất theo lý thuyết; khi sử dụng thông số sức chống cắt không thoát nước sử dụng hệ số giảm bằng 1.5 và tương tự là hệ số 1.2 trong trường hợp sử dụng thông số có hiệu Giá trị nội lực có được sẽ sử dụng để thiết kế kết cấu tường Phương pháp này được qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế BS 8002, EC7, DIN EN 1997

Vai trò của thiết kế trong sự cố hố đào

Gue & Tan, 2004 đã thống kê sự cố hố đào của 55 công trình hố đào sâu tại Malaysia Theo đó, nguyên nhân gây ra sự cố công trình hố đào chủ yếu thuộc về lỗi thiết kế