Nghiên cứu giải pháp hạ mực nước ngầm trong thi công hố đào sâu ở hải phòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP HẠ MỰC NƢỚC NGẦM TRONG THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU Ở HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỤNG CÔNG TRÌNH DD&CN MÃ SỐ: 60.58.02.08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC NGUÔN Hải Phòng, 2017 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi tới thầy: PGS.TS Nguyễn Đức Nguôn, Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Dân Lập Hải Phòng lời chúc sức khỏe lời cảm ơn chân thành Các thầy hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu làm luận văn Trong thời gian làm luận văn, cố gắng để tránh sai sót, điều xảy luận văn Rất mong góp ý thầy cô bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2016 Tác giả luận văn Hoàng Anh Tuấn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Hoàng Anh Tuấn DANH MỤC BẢNG, BIỂU Số hiệu bảng, biểu Tên bảng, biểu Bảng 1.1 Tính kỹ thuật máy bơm nước Bảng 1.2 Quy cách vật liệu hạt Bảng 2.1 Bảng tra bán kính ảnh hưởng Bảng 2.2 Hệ số  Bảng 2.3 Hệ số cấp nước m Bảng 2.4 Công thức tính kinh nghiệm tính bán kính ảnh hưởng Bảng 2.5 Khoảng cách ống kim lọc Bảng 2.6 Trị số kinh nghiệm hệ số thẩm thấu Bảng 2.7 Phạm vi áp dụng phương pháp hạ mực nước ngầm Bảng 3.1 Bảng tóm tắt đề xuất DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình Hình 1.1 Nước ngầm vào hố móng Hình 1.2 Máng hở thoát nước Hình 1.3 Giếng thấm Hình 1.4 Phễu rút nước hút nước giếng Hình 1.5 Một hang giếng hố móng hẹp Hình 1.6 Hai hang giếng hố móng rộng Hình 1.7 Giếng bố trí hai cấp hố móng sâu Hình 1.8 Giếng bố trí nhiều cấp hố móng sâu Hình 1.9 Cấu tạo ống kim lọc Hình 1.10 Cấu tạo vòi phun Hình 1.11 Cấu tạo giếng điểm phun Hình 1.12 Giếng điểm ống Hình 1.13 Ống lọc nước gang đúc Hình 1.14 Sơ đồ lỗ khoan hạ mực nước ngầm có bơm sâu Hình 1.15 Nguyên tắc điện thấm để hạ mực nước ngầm Hình 2.1 Sơ đồ tính toán giếng hoàn chỉnh Hình 2.2 Sơ đồ tính toán giếng không hoàn chỉnh Hình 2.3 Biểu đồ xác định hàm f Hình 2.4 Biểu đồ xác định V Hình 2.5 Sơ đồ tính lượng nước ngầm thấm vào giếng không hoàn chỉnh Hình 2.6 Độ sâu chôn giếng điểm Hình 2.7 Giếng hút nước không hoàn chỉnh hàng với nguồn nước Hình 2.8 Giếng không hoàn chỉnh bố trí hàng nguồn nước Hình 2.9 Giếng không hoàn chỉnh bố trí hàng nguồn nước Hình 2.10 Giếng hoàn chỉnh, giếng với nguồn nước Hình 2.11 Đất xung quanh hố móng bị trôi Hình 2.12 Hạ mực nước ngầm bên hố móng làm cho đất xung quang lún không Hình 2.13 Dung cọc bơm xi mang JST để ngăn ngừa phun trào Hình 2.14 Phạm vi áp dụng hạ mực nước ngầm trường Hình 3.1 Bản đồ vị trí địa lý thành phố hải phòng Hình 3.2 Bản đồ địa hình thành phố hải phòng Hình 3.3 Tóm tắt thuyết minh phân vùng địa chất công trình thành phố hải phòng Hình 3.4 Địa tầng vùng I-A Hình 3.5 Địa tầng vùng I-B Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Địa tầng vùng II-C Địa tầng vùng II-D-1 Địa tầng vùng II -D-2 Địa tầng vùng II -D-3 Địa tầng vùng II -D-4 Địa tầng vùng II -D-5 Địa tầng vùng II -D-6 Địa tầng vùng II -D-7 Địa tầng vùng II -D-8 Nước ngầm tác dụng lên công trình khu vực I-A,B Hình 3.16 Nước ngầm tác dụng lên công trình khu vực II Hình 3.17 Sơ đồ quan trắc hố đào sâu thi công PHẦN MỞ ĐẦU Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu: Trong năm gần với nước trình thực công công nghiệp hoá, đại hóa đất nước, ngành Xây dựng Việt Nam có góp phần không nhỏ nhằm đổi mặt Hải Phòngcũng đô thị nước Các đô thị ngày phát triển, mật đô dân số, mật độ xây dựng ngày tăng Việc sử dụng không gian ngầm xem giải pháp tối ưu thời điểm Tận dụng không gian ngầm xây dựng nhiều loại công trình khác như: - Các công trình công nghiệp bao gồm nhà máy, kho tàng, dây chuyền công nghệ (như nhà máy luyện kim, cán thép, vật liệu xây dựng,…) - Các công trình dân dụng công cộng bao gồm cửa hàng bách hóa, rạp hát, công trình dịch vụ công cộng phục vụ phúc lợi xã hội… - Các bể chứa, bãi đậu xe, gara, tầng hầm nhà cao tầng, công trình phòng vệ dân sự… - Các công trình giao thông đường sắt, công trình ga đường tàu điện ngầm, mạng kỹ thuật ngầm công trình cấp thoát nước, cáp điện, cáp quang… - Các công trình thủy lợi, thủy điện, trạm bơm lớn… Từ đó, việc thi công công trình dẫn đến có nhiều loại hố móng sâu khác đòi hỏi người thiết kế, thi công cần phải có phương pháp kỹ thuật đảm bảo an toàn hiệu kinh tế nhằm tránh ảnh hưởng đến công trình lân cận xây dựng trước Khi thi công hố đào sâu điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao điều kiện trường phức tạp khác dễ sinh trượt lở khối đất, ổn định móng, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố trồi lên, kết cấu chắn giữ bị rò nước nghiêm trọng bị xói ngầm…làm hư hại móng Việc xử lý nước ngầm thi công hố đào sâu khâu kỹ thuật quan trọng cần thiết Nếu nước ngầm ngấm vào hố đào làm cho hố đào bị ngập nước ảnh hưởng trực tiếp đến trình thi công độ an toàn công trình xây dựng Do thi công hố đào cần thiết phải có biện pháp hạ mực nước ngầm thoát nước tích cực móng thi công trạng thái khô Vấn đề nghiên cứu rút kinh nghiệm cho việc lựa chọn giải pháp hạ mực nước ngầm hợp lý thi công móng cho hố đào sâu nước ta vấn đề cần nghiêm túc xem xét rút kinh nghiệm quí báu cho công trình đã, tiếp tục xây dựng tương lai cho thành phố nước ta Mục đích nghiên cứu: Đề xuất phương pháp hạ mực nước ngầm hợp lý cho công trình có chiều sâu hố đào khác nhau, điều kiện đất riêng biệt khác khu vực Hải Phòng Phạm vi nghiên cứu đề tài: Phạm vi nghiên cứu luận văn phương pháp hạ mực nước ngầm cho hố đào thi công hố đào sâu khu vực Hải Phòng Các phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp tổng kết, phân tích kết khảo sát trường đề xuất giải pháp Những đề xuất luận văn: 5.1 Đưa phương pháp hạ mực nước ngầm hợp lý cho kỹ thuật thi công hố đào sâu với độ sâu điều kiện địa chất khác khu vực Hải Phòng 5.2 Đề xuất quy trình quan trắc trình hà mực nước ngầm thi công hố đào sau Hải Phòng CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP HẠ MỰC NƢỚC NGẦM 1.1 Nhu cầu xây dựng tầng hầm thi công hố đào sâu Việt Nam Nhà có tầng hầm có từ lâu giới, trở thành phổ biến gần thông lệ xây dựng nhà nhiều tầng Ở châu âu đặc điểm đất tương đối tốt, mực nước ngầm thấp, kỹ thuật xây dựng tiên tiến nhu cầu sử dụng nên nhà nhiều tầng có tầng hầm Khi xây dựng khu nhà với yêu cầu không xây cao người ta thường lợi dụng ưu chí có siêu thị có 2-3 tầng có tới 2-3 tầng hầm Ngay từ lâu nước công nghiệp phát triển, nhu cầu nhà cửa tăng nhanh, phương tiện giao thông tăng đáng kể cộng với mức sống cao kéo theo hoạt động dịch vụ diện tích xây dựng lại hạn hẹp Nhà nhiều tầng đáp ứng nhu cầu như: làm kho chứa hàng hoá; làm tầng phục vụ sinh hoạt công cộng bể bơi, cửa hàng, quán bar; làm ga ra; làm tầng kỹ thuật; làm nơi cư trú tạm thời xảy chiến tranh; nơi chứa tiền, vàng, bạc, đá quí tài sản quốc gia Về mặt chuyên môn ta thấy nhà nhiều tầng có tải trọng lớn chân cột, gây áp lực lớn lên móng, làm tầng hầm ta giảm tải cho móng lượng đất lớn móng lấy đi, có tầng hầm móng đưa xuống sâu, móng đặt vào đất tốt, cường độ tăng lên (khi ta cho đất thời gian chịu lực) Thêm vào tầng hầm sâu nằm mực nước ngầm, nước ngầm đẩy công trình theo định luật Acsimet giảm tải cho móng công trình đồng thời giảm lún cho công trình Đối với nhà nhiều tầng tầng hầm, độ sâu ngàm vào đất nông (từ 2-3m), độ ổn định công đông nam Kiến Thụy, nam Tiên Lãng Địa tầng tiêu biểu bao gồm: đất yếu, sét pha, cát pha, bùn (amQIV3tb1) (Hình 3.14) Hình 3.12: Địa tầng khu II-D-6 Hình 3.13: Địa tầng khu II-D-7 Hình 3.14: Địa tầng khu II-D-8 - Khu II-D-9: bãi tiều thấp, tích tụ biển đại, mặt địa hình nghiêng biển, có chỗ bị lầy thụt Phân bố chủ yếu cửa sông Lạch Tray, cửa sông Văn Úc, cửa sông Cấm Tuy nhiên khu vực bãi triều, không tập trung dân cư, khu công nghiệp nên việc xây dựng hạn chế Tác giả không xây dựng cột địa tầng khu vực 3 Tính toán hạ mực nƣớc ngầm cho công trình thực tế Tính toán hạ mực nước ngầm tiến hành cho công trình Khu chung cư thương mại - dịch vụ thành phố Hải Phòng 3.3.1 Đặc điểm công trình điều kiện địa chất- công trình, địa chấtthủy văn - Tóm tắt đặc điểm công trình: Khu chung cư thương mại - dịch vụ thành phố Hải Phòng - Điều kiện địa chất công trình : Lớp : Bùn sét, sét hữu xám đen mềm yếu dày trung bình m Lớp 2: Sét, sét cát laterite hóa xám loang nâu đỏ, cứng dày trung bình 2m Lớp : Bùn sét, sét hữu xám đen mềm yếu dày trung bình m Lớp 4: Cát, cát pha sét, vàng xám có sỏi nhỏ, gốc sông dày trung bình 37 m Lớp : Sét, nâu vàng loang xám nâu đỏ cứng dày trung bình 16 m Lớp 6: Cát lẫn sỏi, nguồn gốc biển, trạng thái chặt không xác định bề dày - Điều kiên địa chất thuỷ văn: Cao độ mực nước ngầm cốt - 5m Hệ số thấm lớp đất xuất mực nước ngầm k=8-0.05 m/ngày Chọn ktb=4m/ngày Công trình khởi công xây dựng vào tháng 2-2009 tức vào mùa khô Công trình có kích thước 68x62m đào sâu 13,5m thi công theo phương pháp tường đất Xung quanh công trình có tường vây nước chủ yếu nước ngầm ngấm từ đáy lên Đáy sàn tầng hầm thứ cốt – 9,2m Bài toán: Hố móng B=62m, L=68m, H=9 m, h=12m, k=8m/ngày Áp dụng bảng đề xuất giải pháp hạ mực nước ngầm cho khu vực thành phố Hải Phòng: thuộc khu vực II với diện tích hố đào lớn độ sâu (H = 12m), hệ số thấm K=4 lớn ta chọn giải pháp hạ mực nước ngầm giếng có máy bơm hút sâu chọn giếng lọc có đường kính 200mm, dài 6m hạ dần theo chiều sâu đào Nhìn vào mặt cắt địa chất ta thấy đáy sàn tầng hầm thứ có chỗ ngồi lên lớp đất thứ cát, cát pha sét, vàng xám có sỏi nhỏ, gốc sông trạng thái chặt vừa (xem hình vẽ) Bên lớp đất không thấm nước Các giếng hút nước đặt tới lớp đất không thấm nước => tính toán với trường hợp giếng thoát nước không hoàn chỉnh Vì B/L= >0.1 => loại hố móng rộng 3.3.2 Tính toán hạ mực nước ngầm (Sử dụng phương pháp tính gần đúng): Ta phân lượng nước thấm vào giếng không hoàn chỉnh làm hai phần: lượng nước không cao áp Q’ giới hạn phía đường thấm phía mặt phẳng cao trình đáy giếng, lượng nước cao áp Q” giới hạn phía cao trình mặt đáy giếng, phía đường giới hạn vùng ảnh hưởng (H.3.9) Q = Q’ + Q” Do khu vực nước cao áp nên Q’’=0 => Q = Q’= 1,36k (2 H  S ) S A R lg A Vì chiều dày lớp đất chứa nước đáy móng lớn ta cần xác định vùng ảnh hưởng, nghĩa vùng sâu chiều dầy lớp đất có khả cung cấp nước cho giếng trị số vùng ảnh hưởng Ta xác định theo bảng sau: S0 0,2 0,3 0,5 0,8 , 1,0 H Ta 1,3 1,5 1,7 1,85 2,0 H 1) Xác định khả hút nước ngầm giếng Khả hút nước giếng : q=Fxv=27 r lv ( m3/ngđ) Trong đó: + l chiều dài phần lọc giả sử l=6 (m) + Bán kính giếng lọc chọn r = 0.1 (m ) + Tốc độ lọc V=60 k (k : m/ngđ) q=2x3,14x0,1 x6x100= 376 ( m3 /ngày đêm) 2) Xác định chiều cao S mực nước hạ thấp giếng Căn vào điều kiện độ sâu hạ mực nước tối thiểu ta có ho = 0,5-lm Để xác định S ta giả thiết đường cong mực nước ngầm hạ thấp xuống có độ dốc 1:10 phía giếng Như : S=2+9+1+ 34  15,4(m) 10 3) Xác định độ sâu chôn ống giếng: Mực nước rút xuống sâu đáy hố móng m Ấn định chiều sâu hạ giếng xuống đất: Chiều sâu hạ giếng L, tính công thức: H  L  S  S  h  l  h0 So: độ sâu hạ mực nước ngầm hố móng S : độ sâu hạ thêm mực nước giếng h : cột nước tiêu hao nước chảy qua ống lọc ( 0,5 -1,0m ) l: chiều dài phần lọc(m) ho: độ ngập nước phần lọc H=L= 15,4+ +6+5 =27,4 (m) A= F  (m)  A  34 x34 = 19,18 (m) 3.14 R  2S Hk (m)=>R=2x15,4 27,4 x8 =456 (m) Vì S0 10   0,36  Ta  27,4 x1,5  41,1(m) H 27,4 Đối với lưu lượng không cao áp: lg A R 19,18  456  lg  1,39 A 19,18 4) Lưu lượng chảy vào hố móng: Q=Q’ = 1,36k (2 H  S ) S 1,36 x8 x(2 x 27,4  15,4) x15,4  A R 1,39 lg A Q=4749 (m3/ngđêm) 5) Xác định số giếng điểm n = (Q/q)xm =( 4749/376)x 1.1=14 giếng 6) Tìm khoảng cách ống giếng điểm : Hố móng có tường chắn xung quanh phải đặt giếm bên hố móng Mỗi chiều đặt giếng khoảng cách giếng là: D= D= L = 68/4=17(m) n L = 68/3=22,7(m) n Do mặt công trình hình vuông ta bố trí chia thành cột theo cạnh dài công trình cột bố trí hố, cách khoảng D1, cột biên bố trí giếng cách khoảng D2 Kết luận: Dùng phương pháp khoan hạ ống giếng đường kính 200mm sâu 8m ống giếng phải đặt thẳng đứng, lưới lọc ống giếng phải đặt phạm vi thích đáng tầng chứa nước, đường kính ống giếng phải lớn đường kính bơm nước 50mm Mỗi chiều đặt giếng Sau hạ ống giếng đến chiều sâu thiết kế đặt máy bơm hút sâu vào Các giếng lọc hạ dần theo chiều sâu đào Đề xuất phƣơng pháp hạ mực nƣớc ngầm thi công hố đào sâu khu vực Hải Phòng 3.4.1 Phân vùng dạng khu vực Hải Phòng a Vùng I-A : Phân bố chủ yếu huyện đảo Cát Bà, bắc Thủy Nguyên Trầm tích carbonat gồm đá vôi, đá vôi silic, vôi sét, sét vôi Là khu vực có địa chất thành phần, tính chất đồng bao gồm: lớp sét, sét pha cát có chiều dày 6÷30m, phía cát, cát pha sỏi xuống đến độ sâu lớn Mực nước ngầm độ sâu từ 5÷10m hn Hình 3.15 Nước ngầm hð H tác dụng lên công trình khu vực I.a,b - Khả thi công hố đào thuận lợi: Vùng thuận lợi cho thi công tầng hầm phương pháp đào hở hố đào sâu từ 5÷8m (tương đương 12 tầng hầm) Giải pháp thoát nước cho hố đào độ sâu đơn giản kinh tế dùng phương pháp đào rãnh hút nước máy bơm Với hố đào sâu công tác hạ mực nước ngầm trở nên phức tạp gặp số tầng chứa nước có áp cục Đặc biệt hố đào khu vực cần ý cố gây bục hố móng nước ngầm, tính toán cần ý kiểm tra điều kiện ổn định chống chảy thấm hố đào Vì vậy, hạ mực nước ngầm cần tính toán chu đáo theo sát trình thi công tránh ảnh hưởng đến công trình xung quanh Giải pháp cho trường hợp dùng giếng bơm sâu - Các giải pháp tường chắn hệ chống đỡ: Khi thi công hố đào có tầng hầm, giải pháp chống đỡ lựa chọn là: + Tường cừ thép dài 12m có chống đỡ; + Tường cọc xi măng đất có chống đỡ không tùy thuộc vào chiều dày chiều sâu tường Khi thi công hố đào cho công trình hai tầng hầm, giải pháp chống đỡ lựa chọn là: Tường bê tông cốt thép thi công theo công nghệ tường đất có chống đỡ Khi số tầng hầm lớn ba (hoặc bốn tầng) nên lựa chọn giải pháp tường chắn bê tông cốt thép thi công theo công nghệ tường đất, thi công tầng hầm theo phương pháp topdown b Vùng I-B - Điểm khác dạng so với vùng I-A mực nước ngầm độ sâu < 5m Như thấy thi công hố đào sâu vùng khó khăn vùng I.a Có thể thi công hố đào tương đối thuận lợi xuống độ sâu