Nhu cầu sử dụng không gian ngầm dưới mặt đất để xây dựng công trình và xây chen trong các đô thị ngày càng phổ biến và cấp thiết, đặc biệt là các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ [r]
(1)TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ - THI CƠNG HỐ ĐÀO SÂU, CƠNG TRÌNH NGẦM
Lê Hồng Việt *
Tóm tắt
Nhu cầu sử dụng không gian ngầm mặt đất để xây dựng công trình xây chen thị ngày phổ biến cấp thiết, đặc biệt thành phố lớn Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh Trong khoảng thời gian từ năm 2000 đến nay, việc thiết kế, thi cơng cơng trình ngầm số cơng trình gây cố làm hư hỏng nghiêm trọng công trình lân cận Trong viết, tác giả trình bày cách tổng quan đặc điểm, lọai kết cấu tường chắn, nguyên tắc thiết kế trình tự tính tốn thiết kế thi cơng hố đào sâu, cơng trình ngầm.
Từ khóa: Thiết kế, Thi cơng, Hố đào sâu, Cơng trình ngầm, Tường chắn đất. Abstract
The use of underground space for construction is increasingly common and urgent in the urban, especially in big cities such as Ha Noi and Ho Chi Minh From the year 2000, the execution of some un-derground construction projects has faced significant damages affecting neighboring buildings This paper generally introduces specifications and structure of guard walls, basic principles in design and process of constructive calculation for the deep excavations and underground works.
Keywords: Desgin, Construction, Deep excavations, Underground, Retaining walls. 1 Đặt vấn đề
Tốc độ phát triển đô thị nhanh thành phố lớn nước ta Thủ đô Hà Nội, TP.HCM năm qua làm cho diện tích đất xây dựng ngày bị thu hẹp đáng kể Để đáp ứng nhu cầu xây dựng cơng trình phục vụ cho đời sống dân sinh thành phố khai thác không gian ngầm mặt đất cơng trình dân dụng từ 4-6 tầng hầm, cơng trình giao thông sử dụng tàu điện ngầm sâu mặt đất đến hàng chục mét; để sử dụng có hiệu khơng gian ngầm đảm bảo an tồn cơng trình lân cận, việc nghiên cứu, phân tích đánh giá giải pháp thiết kế thi công loại cơng trình cần thiết
2 Một số cố cơng trình ngầm
Do việc thiết kế thi cơng cơng trình hố móng sâu đơi đơn vị quan tâm mức nên xảy số trường hợp đáng tiếc, gây khơng thiệt hại người tài sản Các cố gặp bị sạt lở hố móng, gây lún sụt, nứt nẻ sụp đổ cơng trình lân cận Sau số cố cơng trình liên quan đến hố đào, cơng trình ngầm:
- Ngày 26 tháng năm 2007, toàn nhà tầng lầu (số 792C đường Nguyễn Kiệm, quận Gị Vấp, TP Hồ Chí Minh) sụp đổ trình xây dựng hầm Nguyên nhân xác định tự ý đào hầm sâu 5m mà khơng có biện pháp thi cơng hợp lý bên cạnh địa 792A, 792B, cộng với mưa lớn nhiều ngày làm sập hoàn toàn nhà 792C đường Nguyễn Kiệm
- Lúc 19 35 phút ngày 09 tháng 10 năm 2007, toàn khu nhà 100m2 gồm trệt,
một lầu văn phịng tạp chí Khoa học Xã hội (thuộc Viện Khoa học Xã hội Nam Bộ, số 49 đường Nguyễn Thị Minh Khai, Phường Bến Nghé, Quận 1, TP.HCM) đổ sập hoàn toàn
(2)Nguyên nhân ban đầu xác định thi cơng cơng trình số 43-45-47 đường Nguyễn Thị Minh Khai (cao ốc Pacific) phần móng tường vây giáp ranh với Viện Khoa học Xã hội Nam Bộ bị thủng kéo theo nước, cát phần nhà bị đổ sụp
3 Đặc điểm cơng trình hố đào sâu
Cơng trình hố đào sâu loại cơng trình đặc biệt ngành xây dựng có đặc điểm sau:
(1) Công trình sử dụng kiến thức nhiều ngành khoa học đất đá, kết cấu kỹ thuật thi cơng ngành khoa học tổng hợp cịn chờ phát triển mặt lý luận
(2) Điều kiện địa chất đất biến đổi phạm vi rộng, tiềm ẩn nhiều rủi ro phức tạp, tính khơng đồng địa chất thủy văn ảnh hưởng lớn đến số liệu khảo sát, kết khảo sát có tính phân tán lớn, khơng đại diện tổng thể cho địa chất tầng đất nên tính xác số liệu khảo sát khơng cao làm khó khăn cho việc thiết kế thi cơng hố đào sâu cơng trình ngầm Đặc biệt điều kiện đất yếu, mực nước ngầm dâng cao điều kiện trường phức tạp dễ sinh trượt lở đất, ổn định hố đào, chuyển dịch vị trí tường chắn, đáy hố đào trồi lên, tường chắn bị rò rỉ nước nước ngầm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cơng trình xây dựng, đường ống, cơng trình ngầm xung quanh
(3) Cơng trình có khối lượng cơng việc lớn, giá thành cao, có kỹ thuật thi cơng phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều yếu tố biến đổi nhiều rủi ro xảy cố q trình thi cơng Để đáp ứng cho nhu cầu phát triển đô thị lớn tập trung khu đất nhỏ hẹp, dân cư đông đúc, điều kiện thi cơng khó khăn, khơng thể đào móng có mái dốc, yêu cầu phải đảm bảo ổn định cơng trình lân cận khống chế chuyển dịch quan trọng
4 Phân loại tường chắn, trình tự thiết kế, thi cơng hố đào sâu, cơng trình ngầm
4.1 Phân loại tường chắn hố đào Hình Hiện trạng tầng ngầm tồ nhà Pacific,
TPHCM sau xảy cố
Hình Viện Khoa học Xã hội Nam Bộ sau khi xảy cố
Hình Block 1, tồ nhà HighLand Tower (Malaysia) sập năm 1993
Hình Toàn cảnh trạm bơm nước thải ở Bangkok (Thái Lan) bị sập năm 1997
(3)Tường chắn hố đào phân loại theo cách: phương thức đào; đặc điểm chịu lực kết cấu; chức kết cấu Cụ thể sau:
4.1.1 Phân loại theo phương thức đào
(a) Đào hố chắn giữ - Đào thẳng đứng
- Đào có mái dốc gồm có: đào có mái dốc khơng có nước ngầm; đào có mái dốc nước máng hở; đào có mái dốc hạ mực nước ngầm giếng
(b) Đào hố có chắn giữ
- Đào kiểu cơngxon (có neo khơng có neo) - Cọc thép, cọc ống thép, cọc bê tông cốt thép (BTCT)
- Cọc khoan nhồi BTCT, tường chắn đất tổ hợp hai hàng cọc nhồi khoan lỗ bơm vữa cọc đất trộn vôi, cọc đất xi-măng, cọc bơm quay
- Tường liên tục BTCT, cọc đất trộn vôi, cọc đất xi-măng
- Kết cấu chống giữ giếng chìm, tường chắn kiểu trọng lực
- Cọc chắn giữ đất cốt cứng: kiểu đào chắn giữ hình vịm, kiểu sử dụng chống, kiểu sử dụng kết cấu chắn giữ với neo đất (cọc chắn đất, kiểu bầu neo, đinh đất, neo dự ứng lực neo không dự ứng lực)
(c) Đào kết hợp hai phương pháp (a) (b) Thi cơng theo trình tự: đóng cọc – đào phần – đổ bê tơng cơng trình ngầm – chống ngang chéo – đào đất xung quanh thi công tiếp
(d) Đào ngược bán ngược (Top down) Theo trình tự: làm cọc nhồi tường chắn (cọc bản, barret, tường liên tục) – đổ bê tông từ sàn tầng - sàn tầng hầm từ xuống lợi dụng làm kết cấu chắn giữ
(f) Đào có gia cố thành đáy hố đào: gia cố thành hố đào bơm vữa, màng hóa chất xi-măng đất kết hợp lưới thép, đinh đất, neo bê tông, gia cố bơm vữa dùng áp lực đất
bị động đáy hố đào để giữ thành hố đào
4.1.2 Phân loại theo kết cấu chắn giữ
(a) Kết cấu chắn giữ chịu áp lực bị động - Cọc: cọc nhồi BTCT, cọc BTCT đúc sẵn, cọc trộn sâu, cọc phun quay, cọc nhào trộn
- Bản: thép hình chữ I, BTCT hình chữ nhật, chữ C, composit,…
- Ống: cọc thép ống có neo, cọc BTCT có neo
- Tường: tường đất (đổ chỗ, đúc sẵn), tường trọng lực đất xi-măng
- Chống: chống giữ thép, BTCT, gỗ, … (b) Kết cấu chắn giữ chịu áp lực chủ động
- Phun neo để chắn giữ (bơm vữa, kéo neo, neo,…)
- Tường đinh đất để chắn giữ (bao gồm cài thép gia cường)
4.1.3 Phân loại theo chức kết cấu
(a) Bộ phận chắn đất
- Kết cấu chắn đất thấm nước như: cọc thép, cọc nhồi, cọc tường hợp nhất, chắn giữ đinh đất, cài cốt gia cường
- Kết cấu chắn đất ngăn nước như: tường liên tục đất, tường cọc đất xi-măng cọc khoan nhồi, cọc thép cọc BTCT, tường vịm khép kín
(b) Bộ phận giữ tường kiểu chống neo
(4)4.2 Trình tự thiết kế thi cơng hố đào sâu cơng trình ngầm
CƠNG TRÌNH HỐ ĐÀO SÂU
ĐIỀU TRA VÀ KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT Khảo sát địa chất cơng trình
và địa chất thủy văn Điều tra môi trườngxung quanh Kiến nghị phương án đàođất chắn giữ hố đào Giải pháp hạ mực nướcngầm ý gì?
BÁO CÁO KHẢO SÁT Đấu thầu thi công
So sánh chọn phương án chắn giữ hố đào, hạ mực nước ngầm,…
Giá
thành pháp đàoPhương
Phương pháp chắn giữ hố đào
Phương pháp hạ mực nước
ngầm
Phương pháp quan
trắc
Khả gây cố, cách
khắc phục
Ảnh hưởng cơng trình xung quanh
Tiến độ thi cơng CHỌN NHÀ THẦU THI CÔNG
Xác định sơ phương án Khi H>6m cần thẩm định chuyên gia
Thiết kế chắn giữ Thiết kế hạ mực nước ngầm ĐƠN VỊ THI CÔNG
ĐƠN VỊ THIẾT KẾ
QUAN TRẮC
XỬ LÝ HƯ HỎNG Đạt Không đạt Thiết kế biện pháp thi công đào,
chắn giữ hạ mực nước ngầm Thi công đào, chắn giữ hạ
mực nước ngầm Thi cơng cơng trình ngầm
NGHIỆM THU Lấp đất, thu hồi kết cấu chắn giữ
Bàn giao cơng trình ngầm Kết thúc q trình thi cơng hố đào
(5)5 Ngun tắc tính tốn thiết kế hố đào sâu cơng trình ngầm
5.1 Ngun tắc thiết kế kết cấu chắn giữ hố đào
(1) An toàn, tin cậy: đảm bảo cường độ, ổn định, biến dạng kết cấu chắn giữ, đảm bảo an tồn cho cơng trình xung quanh
(2) Tính kinh tế: có giá thành hợp lý, hiệu kinh tế kỹ thuật rõ ràng sở tổng hợp tiêu chí: Thời gian thi cơng, vật liệu, thiết bị, nhân lực thi công bảo vệ môi trường xung quanh
(3) Thuận lợi thời gian thi công: sở độ tin cậy, hiệu kinh tế, điều kiện thi công thuận lợi nhằm rút ngắn thời gian thi công
5.2 Đặc điểm thiết kế kết cấu chắn giữ hố đào
(1) Tính khơng xác định ngoại lực: áp lực chủ động, áp lực bị động đất áp lực nước thay đổi theo điều kiện môi trường, phương pháp thi công, giai đoạn thi cơng
(2) Tính khơng xác định biến dạng: việc khống chế biến dạng yếu tố quan trọng thiết kế tường chắn giữ, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng như: độ cứng tường, cách bố trí chống (hoặc neo) đặc tính mang tải kết cấu, tính chất đất nền, chất lượng thi cơng, kết quan trắc trường,…
(3) Tính khơng xác định đất: tính chất khơng đồng đất phụ thuộc vào vị trí lấy mẫu, phương pháp thí nghiệm khác giai đoạn thi cơng khác cho kết tính chất đất khác lớn, dẫn đến lực tính tốn tác dụng lên tường thay đổi khác
5.3 Ngun tắc tính tốn thiết kế kết cấu chắn giữ hố đào
Do nội lực biến dạng tính tốn kết cấu chịu lực cấu kiện chắn giữ thay đổi theo biến thiên trình thi cơng nên cần phải tính tốn giai đoạn đặc trưng q trình thi cơng, đồng thời xét ảnh hưởng giai đoạn thi công trước đến giai đoạn thi cơng sau tính tốn nội lực biến dạng Các thơng số tính tốn thiết kế tường chắn gồm:
(1) Tính tốn ổn định tổng thể mái dốc hố đào
(2) Tính tốn ổn định chuyển vị ngang theo hướng mặt bên tường chắn
(3) Tính toán ổn định trượt đáy chân tường ổn định mặt trước tường (do dỡ tải)
(4) Tính tốn chống dịng thấm áp lực nước ngầm tác động lên tường chắn đáy hố đào
(5) Dự báo độ lún chuyển vị ngang khu vực xung quanh làm ảnh hưởng đến công trình lân cận
(6) Tính tốn điểm nối, mối nối tường chắn
(7) Tính tốn hạ mực nước ngầm bên bên hố đào giai đọan thi công
(8) Chọn phương pháp đào tối ưu nhằm giảm thiểu phát sinh cố ảnh hưởng môi trường, với cơng trình lân cận
5.4 Quan trắc
Q trình thi cơng hố đào sâu cơng trình ngầm phải thường xuyên quan trắc công việc cụ thể sau:
(1) Biến dạng nội lực số cấu kiện chống giữ chủ yếu như: Lực dọc trục chống, chuyển vị đứng ngang đỉnh tường, đường cong biến dạng theo phương đứng tường, độ lún sụt/trồi cọc độc lập
(2) Biến dạng khối đất xung quanh hố đào, độ ổn định vách hố đào, thay đổi mực nước ngầm áp lực nước lỗ rỗng, độ trồi sụt đáy hố đào
(3) Quan trắc độ lún, chuyển vị,… cơng trình lân cận xung quanh
6 Nhận xét – thảo luận 6.1 Nhận xét
(6)(2) Việc tính tốn thiết kế lọai cơng trình sử dụng kiến thức nhiều ngành khoa học đất đá, kết cấu, kỹ thuật thi công ngành khoa học tổng hợp khác
(3) Kết khảo sát địa chất thủy văn, giải pháp thiết kế - tính tốn (bằng phương pháp số phương pháp phần tử hữu hạn), lọai kết cấu chắn giữ, phương pháp thi công, lực tổ chức thi công, điều kiện môi trường, kết quan trắc trình thi cơng, ảnh hưởng lớn đến chất lượng cơng trình hố đào sâu, cơng trình ngầm
6.2 Thảo luận
Điều kiện địa chất đất biến đổi phạm vi rộng, ẩn dấu nhiều rủi ro phức tạp Đặc biệt điều kiện đất sét yếu
bảo hòa nước, mực nước ngầm dâng cao điều kiện trường phức tạp dễ sinh trượt lở đất, ổn định hố đào, chuyển dịch tường chắn, đáy hố đào trồi lên, … ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng đến cơng trình xây dựng, đường ống, cơng trình ngầm xung quanh Do thiết kế thi cơng cơng trình loại này, nhà thầu cần phải phân tích lựa chọn tối ưu hóa có hệ thống cho hàng lọat cơng việc công tác khảo sát phục vụ thiết kế; xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu chắn giữ; chọn loại kết cấu chắn giữ hố đào; giải pháp hạ mực nước ngầm; giải pháp quan trắc đo đạc chuyển vị biến dạng kết cấu chắn giữ quan trắc cơng trình lân cận suốt q trình thi cơng
Tài liệu tham khảo
Nguyễn Bá Kế 2010 Bài học từ cố sập đổ Viện Khoa học Xã hội vùng Nam Bộ thành phố Hồ Chí Minh Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Bộ Xây dựng số 3/2010 (152) Trang.49-57
Nguyễn Bá Kế 2008 Thiết kế thi cơng hố móng sâu NXB Xây dựng