Tính toán thi công phần ngầm

Nhà cao tầng thường có một vài tầng hầm để làm tầng kĩ thuật, chứa đựng máy móc thiết bị, hệ thống kĩ thuật và xử lý như: bể nước thô, hệ thống bơm nước, thiết bị lọc, bể nước sạch hệ thống bể chứa phế thải và xử lý, hệ thống biến áp và tủ điều khiển, tủ phân phối điện. Ngoài ra, còn làm kho chứa hàng hóa, vật liệu và gara ô tô. Về góc đọ chịu lực tầng hầm giúp công trình đỡ bớt tải nền đất phía trên đưa trọng tâm công trình thấp xuống, giúp công trình chịu lực ngang của gió, bão, động đất tốt hơn. Tuy nhiên việc thi công tầng hầm nói riêng và phần ngầm nói chung thường rất khó khăn và là thách thức đối với nhiều nhà thầu. Mỗi công trình đều có những đặc diềm riêng về cấu tạo nền đất, mặt cắt địa chất, chiều cao mực nước ngầm... nên không thể chỉ sử dụng kinh nghiệm mà đòi hòi cần có hiểu biết đầy đủ về khoa học và công nghệ mới đáp ứng được yêu cầu xây dựng của công trình.

TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN THI CÔNG TOPDOWN VÀ THI CÔNG TẦNG

HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOPDOWN

Giới thiệu chung

Nhà cao tầng thường có một vài tầng hầm để làm tầng kĩ thuật, chứa đựng máy móc thiết bị, hệ thống kĩ thuật và xử lý như: bể nước thô, hệ thống bơm nước, thiết bị lọc, bể nước sạch hệ thống bể chứa phế thải và xử lý, hệ thống biến áp và tủ điều khiển, tủ phân phối điện Ngoài ra, còn làm kho chứa hàng hóa, vật liệu và gara ô tô Về góc đọ chịu lực tầng hầm giúp công trình đỡ bớt tải nền đất phía trên đưa trọng tâm công trình thấp xuống, giúp công trình chịu lực ngang của gió, bão, động đất tốt hơn Tuy nhiên việc thi công tầng hầm nói riêng và phần ngầm nói chung thường rất khó khăn và là thách thức đối với nhiều nhà thầu Mỗi công trình đều có những đặc diềm riêng về cấu tạo nền đất, mặt cắt địa chất, chiều cao mực nước ngầm nên không thể chỉ sử dụng kinh nghiệm mà đòi hòi cần có hiểu biết đầy đủ về khoa học và công nghệ mới đáp ứng được yêu cầu xây dựng của công trình

Công nghệ thi công Top-down (từ trên xuống), tiếng Anh là Top-down construction method, là công nghệ thi công phần ngầm của công trình nhà, theo phương

pháp từ trên xuống, khác với phương pháp truyền thống: thi công từ dưới lên Trong công nghệ thi công Top-down người ta có thể đồng thời vừa thi công các tầng ngầm (bên dưới cốt ± 0,00 (cốt ± 0,00 tức là cao độ mặt nền hoàn thiện của tầng trệt công trình nhà, đọc

là cốt không)) và móng của công trình, vừa thi công một số hữu hạn các tầng nhà, thuộc phần thân, bên trên cốt không (trên mặt đất)

Công nghệ Top-down đã vào Việt Nam được hơn mười năm Công trình đầu tiên là Harbourview - Nguyễn Huệ (1993-1994 - Bachy Solatance), công trình thứ 2 là Saigon Center rồi nhiều công trình khác nữa Ở nước ta hiện nay trong nam ngoài bắc cũng đã có rất nhiều công trình thi công theo phương pháp này các đơn vị thi công như : Bachy (Pháp), Tungfeng (Đài loan), Delta (Việt nam), Longgiang( viêtnam)

Nội dung của chuyên đề gồm 2 phần :

Phần 1 : Tính toán phương án thi công Topdown.

- Để hiểu rõ quy trình tính toán phương án thi công Topdown, tôi tính

toán một công trình cụ thể Công trình : “Tòa nhà Văn phòng cao cấp cho thuê”, tại số 180-192 Nguyễn Công Trứ, quận 1, Tp HCM

- Sử dụng phương pháp dùng phần mềm Plaxis V8.2 trong tính toán

Phần 2 : Thi công tầng hầm bằng phương pháp Topdown.

Thi công phần ngầm

PHẦN 1 : TÍNH TOÁN PHƯƠNG ÁN THI CÔNG TOPDOWN

I Tổng quan công trình.

Công trình : Tòa nhà Văn phòng cao

cấp cho thuê, tại số 180-192 Nguyễn Công

Trứ, quận 1, Tp HCM

Chủ đầu tư : Công ty cổ phần Du lịch VN

tại TP.HCM

Quy mô công trình gồm : 2 tầng hầm và

25 tầng nổi, tổng diện tích xây dựng hơn

31.000m2

Công năng công trình : 2 tầng hầm sử

dụng làm bãi đỗ xe, 25 tầng nổi của tòa tháp

sẽ là sàn giao dịch chứng khoán có quy mô

vào bậc nhất Việt Nam

II Phương án thi công.

Hệ tường vây được thi công bao xung quanh công trình thành một vòng khép kín, chiều sâu của tường vây theo thiết kế là 23m , chiều dày bằng 60cm

Do độ sâu đào hố móng tương đối lớn (Khi thi công móng thì độ sâu của hố móng đến cốt -13.350m tại khu vực xung quanh tường vây, tại vị trí đài thang máy là -14.350) do

đó ta cần phải có biện pháp thi công hợp lý để giữ được độ ổn định cho tường vây, giảm chuyển vị tránh gây ra ảnh hưởng đến công trình bên cạnh trong suốt quá trình thi công Phương án thi công theo phương pháp Topdown :

− Thi công hệ cọc khoan nhồi, tường vây

− Thi công hệ dầm bo đỉnh tường vây, tăng khả năng làm việc đồng thời của tường vây

− Tiến hành đào đất từ cao độ tự nhiên (-0.700) đến cao độ -2.500m

− Thi công hệ dầm sàn tầng 1 (cao độ -0.200 và -0.700)

− Khi bê tông sàn tầng 1 đạt cường độ yêu cầu, đào đất từ cao độ -2.500 đến cao độ -7.500

− Thi công hệ dầm sàn tầng hầm 2 (cao độ -7.200), để lỗ chờ thi công

2

− Khi bê tông sàn tầng hầm 2 đạt cường độ yêu cầu, tiếp tục đào đến cao độ -11.450 Tại vị trí đài, giằng móng; đào đến cao độ đáy đài, giằng (-13.350 và -14.350)

− Thi công cột, vách tầng hầm 2; dầm, sàn tầng hầm 1 (vị trí lỗ mở)

− Thi công cột, vách tầng hầm 1; dầm sàn tầng1 (cao độ +0.000)

Thực tế cho thấy khi thi công theo phương pháp Top- down thì độ cứng của công trình trong giai đoạn thi công là rất cao Chuyển vị của hệ tường vây theo kết quả quan trắc thực tế rất nhỏ so với khi thi công công trình theo phương án sử dụng hệ giằng chống tạm thông dụng

III Phương pháp tính toán tường vây

1 Các thông số cơ bản.

Điều kiện địa chất:

+ Đất san lấp: Bê tông đất san lấp: Sét, đá hộc, Bề dày 1,7m.

+ Phụ lớp 1a: Bùn sé, xám xanh, chảy Bề dày 3,6m.

Để tính toán nội lực cũng như chuyển vị của hệ tường vây khi thi công công trình qua các giai đoạn khác nhau sử dụng phương pháp dùng phần mềm Plaxis 8.2 hỗ trợ việc tính toán.

Việc khai báo sơ đồ trong Plaxis 8.2 được tiến hành như sau:

− Sử dụng bài toán phẳng, tính cho 1m tường vây

− Khai báo tường vây khai báo là các phần tử Plate, mô tả các gối đỡ là Strut

− Khai báo các đặc tính vật liệu của đất, tường, neo,

3 Sơ đồ tính:

Tính toán hệ tường vây khi thi công qua 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Đào đất từ mặt đất tự nhiên (-0.700) đến cao độ – 2.500m

- Giai đoạn 2: Thi công sàn tầng 1 (-0.700), đào đất đến cao độ -7.500

- Giai đoạn 3: Thi công sàn tầng hầm 2 (-7.200), đào đất đến cao

độ -13.350

áp lực do phụ tải mặt đất q= 40 KN/m2 (4 T/m2)

Cao độ mực nước ngầm: -4.000

4

Ta tính cho 1m tường vây.

a) Kết quả tính toán:

*Giai đoạn 1: Khi đào từ mặt đất tự nhiên (-0.700) đến cao độ -2.500m:

Thi công phần ngầm

- Chuyển vị lớn nhất tại đỉnh tường vây: 1,4 cm

6

- Mô men lớn nhất xuất hiện trong tường vây: 189 KNm/m (18,9 Tm/m).

*Giai đoạn 2: Thi công sàn tầng 1 và đào đến cao độ: -7.500

Thi công phần ngầm

- Chuyển vị lớn nhất tại thân tường vây: 1,7 cm

8

- Mô men lớn nhất xuất hiện trong tường vây: 305 KNm/m (30,5 Tm/m).

Lực tác dụng lên sàn tầng 1: -12,5 T/m

*Giai đoạn 3: Thi công sàn tầng hầm 2 và đào đến cao độ: -13.350

Thi công phần ngầm

- Chuyển vị lớn nhất tại thân tường: 2,2cm

10

- Mô men uốn lớn nhất tại thân tường: 589 KNm/m (58,9 Tm/m).

Lực tác dụng lên sàn tầng 1: 8 T/m

Lực tác dụng lên sàn tầng hầm 2: 78 T/m

*Giai đoạn 4*: Tại vị trí đài móng thang máy: Thi công sàn tầng hầm 2 và đào đến cao độ: -14.350

Thi công phần ngầm

- Chuyển vị lớn nhất tại thân tường: 3,1cm

12

- Mô men uốn lớn nhất tại thân tường: 811 KNm (81,1 Tm).

b) Kiểm tra khả năng chịu lực của tường vây (khi chưa gia cường).

Tường vây được bố trí thép φ22@150 (Fa=22,8 cm2, thép AIII) ở mặt ngoài và

φ25@150 (Fa=29,4 cm2, thép AIII) ở mặt trong

− Chiều dày tường vây δ = 60cm

− Chiều dày lớp bảo vệ chọn a=6cm Suy ra ho=60-6=54cm

,054.100.78

8,22.3600

0 0

F R

n

a a

399,0176

,0)195,0.5,01(195,0)5,01

,04,29.3600

Thi công phần ngầm

399,0219

,0)251,0.5,01(251,0)5,01

c) Kiểm tra khả năng chịu lực của tường vây (khi có gia cường)

Tường vây được bố trí thép:

Mặt cắt 3-3: 2φ22@150 (Fa=45,6 cm2, thép AIII) ở mặt ngoài và φ25@150 (Fa=29,4 cm2, thép AIII) ở mặt trong

Mặt cắt 3*-3* (tại vị trí đài móng thang máy): 2φ25@150 (Fa=58,9 cm2, thép AIII) ở mặt ngoài và φ25@150 (Fa=29,4 cm2, thép AIII) ở mặt trong

Mặt cắt 2-2: φ22@150 (Fa=22,8 cm2, thép AIII) ở mặt ngoài và 2φ25@150 (Fa=58,9 cm2, thép AIII) ở mặt trong

− Chiều dày tường vây δ = 60cm

− Chiều dày lớp bảo vệ chọn a=6cm Suy ra ho=60-6=54cm

,054

.100.78

)4,296,45(3600

0 0

' '

F R F

R

n

a a a

a

399,0128

,0)138,0.5,01(138,0)5,01

,054

.100.78

)4,299,58(3600

0 0

' '

F R F

R

n

a a a

a

399,022

,0)252,0.5,01(252,0)5,01

,054

.100.78

)8,229,58(3600

0 0

' '

F R F

R

n

a a a

a

14

,0)308,0.5,01(308,0)5,01

để chuẩn bị thi công móng

− Trọng lượng bản thân: Nbt(Kiểm tra lại khi đã chọn tiết diện cột)

Thi công phần ngầm

− Dầm DH1-P4, DH1-P14, DH1-P15: Ndp= b h L γ n = 0,4 (0,6- 0,2) (3,7 5) 2,5 1,1 = 8,1(T);

− Trọng lượng bản thân: Nbt(Kiểm tra lại khi đã chọn tiết diện cột)

N

8,22,225,1

Ayc =  + 40

35,225,11.3150

270000

= 123(cm2)

(γ-hệ số điều kiện làm việc lấy bằng 1)

Chọn tiết diện H 400x400x13x21 cho cột thép chống tạm có A=214,54 cm2

Kiểm tra tiết diện đã chọn H400x400x13x21

Các đặc trưng hình học của tiết diện :

− Cột có lx = ly và dạng tiết diện như đã chọn nên phương mảnh nhất là phương xác định theo trục y

− A= 2 2,1 40 + 1,3 35,8 = 214,54 cm2

− Ix= 2.(40 2,13/12 + 1,3 40 18,952)+ 1,3 35,83 /12= 42739 cm4

− Iy = 2 2,1 403/12 + 35,8 1,33/12 = 22406 cm4

16

,83

27,310.06,2/3150.56,83/

m1= η.m= 1,43 2,3= 3,3< 20 nên không cần kiểm tra về bền.

Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn

Với λ=3,27và m1 = 3,3, tra bảng có ϕlt =0,24

Công thức kiểm tra:

./3150)

/(1522)

24,0.54,214/(

Thi công phần ngầm

Sơ đồ tính toán cột chống tạm

64,3622,10

7,0

,36

43,110.06,2/3150.64,36/

m1= η.m= 1,66 0,96= 1,6< 20 nên không cần kiểm tra về bền.

Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn

Với λ=1,43và m1 = 1,6, tra bảng ϕlt =0,52

Công thức kiểm tra:

./3150)

/(2420)

52,0.54,214/(

PHẦN 2 : THI CÔNG TẦNG HẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TOPDOWN

I Ưu điểm của phương pháp thi công Topdown

Các vấn đề về mặt bằng và tiến độ thi công: không cần diện tích đào móng lớn hoặc

đỡ tốn chi phí phải làm tường chắn đất độc lập Đặc biệt đối với công trình giao thông dạng hầm giao thông, phương pháp này giúp sớm tái lập mặt đường để giao thông Và có thể thi công kết hợp up-up phần thượng tầng và top down đối với phần ngầm (thông dụng đối với các công trình dân dụng có tầng ngầm) > đẩy nhanh tiến độ thi công

Tiến độ thi công nhanh: khi đang làm móng và tầng hầm vẫn có thể đồng thời làm

phần trên được để tiết kiệm thời gian, (đương nhiên là phải tăng chi phí gia cường an toàn phần dưới nhiều hơn, còn nếu "tiết kiệm" tiến độ mà không bù lỗ được "chi phí" tăng do phải gia cường an toàn thì không cần làm nhanh, top-down phần ngầm trước rồi mới làm phần trên như đã thấy ở Hà nội Sau khi đã thi công sàn tầng trệt, có thể tách hoàn toàn việc thi công phần thần và thi công phần ngầm Có thể thi công đồng thời các tầng hầm và kết cấu phần thân

Không cần dùng hệ thống chống tạm (Bracsing System) để chống đỡ vách tường tầng hầm trong quá trình đào đất và thi công các tầng hầm, không phải chi phí cho hệ chống phụ Hệ thanh chống tạm này thường rất phức tạp vướng không gian thi công và rất tốn

Các vấn đề về móng (hiện tượng bùn nền, nước ngầm ), có một điểm lưu ý ở đây là trong đô thị thường có nhiều công trình cao tầng, nếu thi công đào mở (open cut) có tường vây, móng sâu và phải hạ mực nước ngầm để thi công phần ngầm, điều này dẫn đến việc thường không đảm bảo cho các công trình cao tầng kề bên (dễ xảy ra hiện tượng trượt mái đào, lún nứt ), phương án thi công Top-down giải quyết được vấn đề này Khi thi công các tầng hầm đã có sẵn tầng trệt, nên giảm ảnh hưởng xấu của thời tiết.

II Nhược điểm của phương pháp thi công Topdown

− Kết cấu cột tầng hầm phức tạp

− Liên kết giữa dầm sàn và cột tường khó thi công

− Thi công cần phải có nhiều kinh nghiệm

− Thi công đất trong không gian kín khó thực hiện cơ giới hoá

− Thi công trong tầng hầm kín ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động

− Phải lắp đặt hệ thống thông gió và chiếu sáng nhân tạo

20

III Phương pháp công nghệ chính

Trong công nghệ Top-down, các tầng hầm được thi công bằng cách thi công phần tường vây bằng hệ cọc barrette xung quanh nhà (sau này phần trên đỉnh của tường vây dùng làm tường bao của toàn bộ các tầng hầm) và hệ cọc khoan nhồi (nằm dưới chân các móng cột) bên trong mặt bằng nhà Tường vây thi công theo công nghệ cọc nhồi bê tông tới cốt không (cốt nền ngay trên mặt đất) (không tính phần bê tông chất lượng kém trên đỉnh vào trong thành phần tường) Riêng các cọc khoan nhồi bê tông nằm dưới móng cột

ở phía trong mặt bằng nhà thì không thi công tới mặt đất mà chỉ tới ngang cốt móng (không tính phần bê tông đầu cọc nhồi, phải tẩy bỏ đi sau này) Phần trên chịu lực tốt, ngay bên dưới móng của các cọc nhồi này được đặt sẵn các cố thép bằng thép hình, chờ dài lên trên tới cốt không (cốt nền ngay tại mặt đất) Các cốt thép hình này, là trụ đỡ các

tầng nhà hình thành trong khi thi công Top-down, nên nó phải được tính toán để chịu

được tất cả các tầng nhà, mà được hoàn thành trước khi thi công xong phần ngầm (gồm tất cả các tầng hầm cộng thêm một số hữu hạn các tầng thuộc phân thân đã định trước) Tiếp theo đào rãnh trên mặt đất (làm khuôn dầm), dùng ngay mặt đất để làm khuôn hoặc một phần của khuôn đúc dầm và sàn bê tông cốt thép tại cốt không Khi đổ bê tông sàn cốt không phải chừa lại phần sàn khu thang bộ lên xuống tầng ngầm, để (cùng kết hợp với ô thang máy) lấy lối đào đất và đưa đất lên khi thi công tầng hầm Sàn này phải được liên kết chắc với các cốt thép hình làm trụ đỡ chờ sẵn nêu trên, và liên kết chắc với hệ tường vây (tường vây là gối đỡ chịu lực vĩnh viễn của sàn bê tông này) Sau khi bê tông dầm, sàn tại cốt không đã đạt cường độ tháo dỡ khuôn đúc, người ta tiến hành cho máy đào chui qua các lỗ thang chờ sẵn nêu ở trên, xuống đào đất tầng hầm ngay bên dưới sàn cốt không sau đó lại tiến hành đổ bê tông sàn tầng hầm này, ngay trên mặt đất vừa đào, tương tự thi công như sàn tại cốt không, rồi tiến hành lắp ghép cốt thép cột tầng hầm, lắp khuôn cột tầng hầm và đổ bê tông chúng

Cứ làm như cách thi công tầng hầm đầu tiên này, với các tầng hầm bên dưới Riêng tầng hầm cuối cùng thay vì đổ bê tông sàn thì tiến hành thi công kết cấu móng và đài móng

Đồng thời với việc thi công mỗi tầng hầm thì trên mặt đất người ta vẫn có thể thi công một hay vài tầng nhà thuộc phần thân như bình thường Sau khi thi công xong hết các kết cấu của tầng hầm người ta mới thi công hệ thống thang bộ và thang máy lên xuống tầng hầm

Thi công phần ngầm

IV Kỹ thuật cần thiết trong thi công tầng hầm theo phương pháp "TOP-DOWN"

i Cốt thép đỡ tạm

Khi thi công tầng hầm theo phương pháp “TOP-DOWN” phải sử dụng các cột thép để

đỡ các sàn tầng hầm và nếu thi công kết cấu phần thân đồng thời với thi công tầng hầm thì các cột thép chống tạm này phải chịu được thêm cả 2 sàn tầng 1 và tầng 2 nữa Số lượng các sàn mà cột thép chống tạm cần phải đỡ sẽ được lấy theo tiến độ thi công phần thân nhà

Các cột thép đỡ tạm sau này sẽ được nhồi và bọc bê tông trở thành những cột chịu lực của công trình Việc tinh toán các cột này sẽ theo những phương pháp tinh toán và quy định riêng Trong thực tế người ta dùng thép I có gia cường thép góc hoặc ống thép với khả năng chịu lực từ 200 - 1000 tấn

Các cột thép đỡ tạm phải được đặt đúng vào vị trí các cột chịu lực của công trình và thường được cắm sẵn vào các cọc khoan nhồi từ khi thi công cọc khoan nhồi

ii Bê tông

Do yêu cầu thi công liên tục, phải tháo ván khuôn sớm để tiến hành đào đất thi công tiếp tục phần dưới, nên cần dùng phụ gia để giúp bê tông nhanh chóng đạt được cường độ yêu cầu trong mót thời gian ngăn Có thể sử dụng các phương pháp sau:

− Sử dụng phụ gia hóa dẻo, siêu dẻo giảm tỉ lệ nước nhưng vẫn giữ nguyên độ sụt yêu cầu làm tăng cường độ của bê tông

− Sử dụng các phụ gia tăng trưởng cường độ nhanh, có thế đạt trên 90% cường độ thiết kế trong vòng 7 ngày

Khi thi công cột và vách cứng, cần phải dùng bê tông có phụ gia trương nở để vá các đầu cột, đầu lõi nơi tiếp giáp với dầm sàn Hàm lượng phụ gia trương nở thường được sử dụng là từ 5 - 15% của lượng xi măng, không nên dùng bột nhóm hoặc các chất sinh khí

để làm bê tông trương nở bới chúng gây ăn mòn cốt thép

Bê tông sàn nơi tiếp giáp với tường tầng hầm nơi có thép chờ vả ở sàn đáy phải được chống thấm bằng những phương pháp hữu hiệu, việc sửa chữa những chỗ bị rò rỉ, thấm sau khi đã thi công bê tông là rất khó khăn và tốn kém

iii Hạ mực nước ngầm để thi công các tầng hầm

Khi thi công các tầng hầm bằng phương pháp “TOP-DOWN” thường gặp nước ngầm gây khó khăn rất nhiều cho việc thi công, thông thường người ta phải kết hợp cả hai phương pháp là hạ mực nước ngầm bằng ống kim lọc và hệ thống thoát nước bề mặt gồm các mương tích nước hố thu nước và máy bơm Việc thiết kế các hệ thống hạ mực nước

22