Có thể thấy, địa chất trong vùng có hang castơ rất phức tạp. Quá trình thiết kế và thi công nền móng công trình trong vùng địa chất castơ gặp nhiều khó khăn, thường xuyên phải tiến hành xử lý trước khi có thể đặt móng an toàn. Xây dựng móng trong vùng castơ là sự kết hợp chặt chẽ, liên tục, lặp đi lặp lại giữa công tác khảo sát địa chất, địa hình, thủy văn với thiết kế và thi công. Chi phí xây dựng móng cũng cao hơn thậm chí cao hơn rất nhiều so với các khu vực địa chất thông thường. Giải pháp móng cần được nghiên cứu kỹ và việc lựa chọn giải pháp móng cần đặt yếu tố an toàn lên hàng đầu nhưng vẫn phải đảm bảo tính kinh tế của giải pháp ở một mức độ nhất định. Dưới đây giới thiệu một số giải pháp móng đã được áp dụng ở vùng địa chất có castơ.
a) Khoan phụt vữa xi măng bịt hang castơ
Phương pháp này thường dùng cho giải pháp đặt phía trên hang castơ (móng nông hoặc móng cọc có mũi cọc đặt phía trên hang castơ) và địa chất bị điểm lỗ chỗ bởi những hang castơ kích thước nhỏ và dễ dàng khoan phụt vữa xi măng vào trong hang. Khả năng chịu lực của các hang sẽ
Hình 5 - Các dạng địa hình khác của đá trong vùng castơ
tăng lên, tính nén lún giảm xuống nhờ việc phụt vữa xi măng vào một số lượng lớn các hang. Nhờ khoan phụt vữa nên giảm bớt và ngăn chặn sự phát triển của hiện tượng xói sụt của các lớp đất phủ phía trên vào trong hang. Tuy nhiên, thông thường không phải tất cả các hang đều được bịt đầy. Về mặt giá thành, phương pháp khoan phụt là phương án có giá thành cao bởi các yếu tố như phải số lượng lỗ khoan phụt nhiều (phụ thuộc số lượng hang cần xử lý), tồn tại vấn đề một số lượng vữa xi măng nhất định bị chảy sang những vùng không cần xử lý. Phương pháp này cũng có ảnh hưởng đối với dòng chảy nước ngầm do dòng chảy ban đầu trong đất qua các hang rãnh phải tìm hướng chảy khác.
Đối với móng cọc xuyên qua hang castơ xuống tầng đá còn nguyên vẹn ổn định bên dưới, đôi khi vẫn phải dùng phương án khoan phụt vữa để giữ trần hang hoặc đất trong
Các bước thực hiện phương án khoan phụt vữa bịt hang castơ bao gồm:
Bước 1: Thăm dò hang
Sử dụng các máy khoan thăm dò chuyên dụng để xác định vị trí cũng như chiều sâu hang castơ. Chiều sâu thăm dò phải hơn 10m vào trong đá đặc chắc. Nếu tiếp tục gặp hang phải khoan tiếp đến hang cuối cùng và sâu tiếp vào đá liền khối thêm 10m.
Bước 2: Khoan phụt vữa
Trên cơ sở của kết quả khoan thăm dò, tiến hành các bước xử lý khoan phụt vữa như sau:
• Nếu có nhiều lỗ khoan phụt vữa, thông thường công tác phụt vữa được tiến hành ở vùng biên của khu vực khoan phụt xử lý và hướng dần về tâm. Mỗi lỗ khoan tiến hành phụt vữa xong mới di chuyển sang lỗ khoan phụt tiếp theo.
• Nếu trong một lỗ khoan phụt vữa có nhiều hang chồng lên nhau, công tác phụt vữa cần được tiến hành từ hang dưới cùng và chỉ sau khi hoàn thành mới được di chuyển lên hang phía trên.
• Trong trường hợp cần thiết, các vật liệu bịt khe có thể được đưa xuống để ngăn ngừa việc vữa xi măng chảy qua các hang khác. Mỗi lỗ khoan phụt vữa cần đi kèm với tối thiểu một lỗ thông khí hoặc một lỗ giảm áp có cùng đường kính và chiều sâu.
Bước 3: Kiểm tra kết quả khoan phụt vữa
Điều kiện để chấp nhận kết quả khoan phụt xử lý đối với nền móng cọc như sau:
• Chỉ số N của các điểm kiểm tra trong khu vực đất nền
Hình 7 - Khe nứt thẳng đứng của nền đá phong hóa và sự cố mũi cọc
Hình 8 - Một số sự cố cọc khoan nhồi và giải pháp xử lý
a) Kẹt búa b) Búa khoan kéo tụt ống vách c) Đổ đá hộc vào hố khoan để phá
vỉa đá nghiêng
các điểm kiểm tra không nhỏ hơn 25.
• Không còn gặp bất kỳ lỗ hổng nào trong quá trình kiểm tra.
• Cường độ chịu nén có nở hông của mẫu đất đã xử lý lấy được trong quá trình kiểm tra (nếu có yêu cầu) phải lớn hơn 2MPa hoặc lớn hơn giá trị thiết kế đề ra.
b) Móng sâu đặt trên nền đá còn nguyên vẹn
Móng sâu đặt trên nền đá còn nguyên vẹn được xem xét khi lớp đất phía trên mặc dù khá dày nhưng không đủ khả năng chịu tải trọng phía trên hoặc không thỏa mãn điều kiện độ lún. Phương án này cũng được xem xét khi khả năng lún sụt của trần hang cao hoặc mặt trên của trần hang không đủ khả năng chịu tải. Khi đó, tiến hành đào đất đến trần hang castơ, phá trần hang và đặt móng vào mặt đá dưới đáy hang. Trên một góc độ nhất định, móng sâu là giải pháp tốt nhất khi phải xử lý địa chất lún sụt. Tuy nhiên cũng có những vấn đề và nguy cơ khi sử dụng giải pháp móng sâu, chẳng hạn như chiều sâu chôn móng phụ thuộc vào chiều sâu hang, khi móng quá sâu sẽ làm tăng chi phí và rủi ro thi công. Ngoài ra, việc không thể kiểm soát vùng tới hạn của móng có những khó khăn và đôi khi không thực hiện được. Những vùng tới hạn này bao gồm phần móng tiếp xúc với đá, phần nền đá xung quanh móng và ngay dưới móng, vùng nền đá sâu hơn
c) Móng cọc đóng hoặc cọc ép
Hầu như tất cả các loại cọc đóng hoặc ép đang dùng cho nền móng hiện nay đều được áp dụng cho vùng địa chất có hang castơ. Đối với các vị trí không có hang castơ hoặc có những hốc nhỏ, có thể đặt mũi cọc trên mặt nền đá. Có thể xử lý hang bằng phương pháp khoan phụt vữa để tăng sức chịu tải của nền dưới mũi cọc. Khi hang castơ lớn, trần hang không đủ khả năng chịu tải từ mũi nhóm cọc truyền tới, cần tiến hành khoan dẫn xuyên qua hang và hạ mũi cọc vào mặt đá còn nguyên vẹn. Trong một số trường hợp, đóng hoặc ép cọc phá hỏng vòm trên của hang và gây ra hiện tượng sập hang.
Ngoài sự xuất hiện của hang castơ, trong quá trình thi công cọc đóng và cọc ép trong vùng đá vôi còn phải quan tâm đến một số vấn đề khác như bề mặt đá dốc không bằng phẳng (có trường hợp độ dốc mặt đá rất lớn), sự xuất hiện của đá mồ côi, các gai đá, bướu đá, khe nứt nẻ thẳng đứng... Một trong những sự cố khi sử dụng cọc đóng hoặc ép trên nền đá có độ dốc lớn là mũi cọc dễ bị trượt xuống, dẫn đến hoặc bị cong vênh hoặc gẫy, thậm chí đôi khi bị cong ngược lên (Hình 5).
Khi gặp bề mặt đá dốc, một số giải pháp cần được xem xét bao gồm:
• Khi gặp bề mặt đá dốc, chiều dài các cọc trong cùng một đài cọc có thể không giống nhau. Biến dạng đàn hồi giữa các cọc trong cùng một đài cọc khác nhau làm lực tác dụng lên đài cọc phân bố không đồng đều giữa các cọc. Mô men phụ phát sinh trong đài tiếp tục làm tăng lực tác dụng lên cọc. Khi đó, cần bổ sung thêm cọc để đảm bảo hệ cọc mới chịu được tải trọng tăng thêm.
• Trong trường hợp lớp đất ngay trên bề mặt đá quá yếu, sử dụng mũi cọc Oslo (mũi thép) để tránh hiện tượng mũi cọc bị trượt trong quá trình thi công và để đảm bảo mũi cọc được cắm chắc chắn vào đá khi chịu tải. Độ cứng của thép làm mũi cọc cần lớn hơn 300 (độ cứng Brinell) và giới hạn chảy không được nhỏ hơn 760MPa. Mũi cọc bằng thép được tính toán để chịu toàn bộ lực tiếp xúc giữa cọc và nền đá và cần được giám sát cẩn thận trong quá trình chế tạo để đảm bảo tính chất của mũi thép không bị thay đổi do công tác hàn hoặc các công tác khác.
Hình 10 - Sơ đồ máy khoan Auger
• Đối với cọc đóng hoặc ép có khoan dẫn tạo hốc mũi cọc trong đá, cần dựa kết quả thi công trực tiếp trên công trường để cập nhật thông tin về bề mặt đá, từ đó liên tục liên tục điều chỉnh vị trí cọc cũng như vị trí hốc mũi cọc để luôn đảm bảo hốc mũi cọc được đặt vào vùng an toàn, đặc biệt trong khu vực bề mặt đá độ dốc lớn hoặc có gai đá hay vách đá dựng đứng.
Khe nứt nẻ thẳng đứng của đá cũng có thể ảnh hưởng gây phá hoại mũi cọc.
d) Cọc khoan nhồi
Công trình chịu tải đứng và ngang lớn thường dùng kết cấu móng bằng cọc khoan nhổi. Cọc khoan nhồi có thể thi công đến độ sâu rất lớn nên có thể xuyên qua hệ thống hang hốc castơ đến tận tầng đá còn nguyên vẹn, nhờ đó kết cấu móng rất an toàn. Tuy nhiên, thi công cọc khoan nhồi trong vùng địa chất có hang castơ vẫn khó khăn hơn nhiều so với địa chất thông thường, khi thi công hay xảy ra sự cố. Sự xuất hiện của các hang hốc trong đá làm chiều dài thực tế của cọc thay đổi nhiều, thậm chí có trường hợp các cọc cạnh nhau có thể chênh nhau hàng chục mét. Có những công trình do tính phức tạp của địa tầng đã phải yêu cầu tiến hành khoan thăm dò hang castơ cho từng cọc.
Một ví dụ điển hình về sự phức tạp của địa hình castơ trong thiết kế, thi công nền móng cọc khoan nhồi là công trình nhà máy xi măng Tam Điệp. Trong quá trình khảo sát địa chất, phát hiện rất nhiều hang hốc castơ chứa nhiều bùn sét. Hang castơ có chiều cao vòm từ 0,3 đến 3,2m. Trong số 99 hang castơ thì 77 hang castơ sống, còn lại là hang castơ chết. Phương án móng cọc khoan nhồi đã được sử dụng. Trong số 175 cọc thì có đến 64 cọc xuyên qua hang castơ. Chiều dài cọc khác nhau nhiều, số tầng hang xuyên qua cũng khác nhau, từ xuyên qua một tầng hang đến trường hợp xuyên qua năm tầng hang [4].
Ống vách thép để giữ thành hố khoan khi tạo lỗ và đổ bê tông được sử dụng thường xuyên khi gặp các hang castơ lớn, rỗng hoặc nước trong hang có vận tốc. Ống vách khoan cọc và ống vách làm cốp pha khi đổ bê tông có thể chung làm một hoặc tách thành hai ống vách riêng. Trường hợp tách riêng, khi khoan cọc dùng một ống vách dày để bảo vệ thành hố khoan. Chế tạo ống vách mỏng khác hàn vào lồng thép cọc và hạ vào bên trong ống vách thành lỗ. Khi đổ bê tông ống vách dày được rút dần lên. Trường hợp phải khoan qua nhiều tầng hang thì phải dùng nhiều ống vách bảo vệ thành cọc lồng vào nhau. Ống vách thép để lại sẽ làm tăng đáng kể chi phí hoàn thiện cọc khoan nhồi.
Vẫn có thể không sử dụng ống vách để giảm chi phí cọc khoan nhồi trong những trường hợp sau:
• Castơ chết có đất đá bên trong.
• Castơ chết, rỗng hoặc castơ sống kích thước nhỏ, nước trong hang không có vận tốc. Giải pháp tạo thành hố khoan là thả đất sét bịt kín hang sau khi khoan thủng trần hang.
• Castơ sống có bùn nhão, không có hiện tượng nước ngầm lưu thông nhưng được xử lý bịt kín trước bằng cách bơm bê tông xi măng xuống nhồi trong hang
• Với hang castơ kích thước nhỏ có thể đổ thừa bê tông (lượng bê tông lớn hơn thiết kế) bịt kín toàn bộ hang castơ.
Trong vùng địa chất có hang castơ nên dùng máy khoan đập cáp hoặc máy khoan xoay để tạo lỗ cọc khoan nhồi. Tuy nhiên, khi đá vôi có cường độ lớn thì phương pháp khoan xoay không hiệu quả. Kết quả thi công thực tế của Cầu Trạ Ang cho thấy, do đá có cường độ lớn, đạt đến 1400kG/cm2,
ngày khoan chỉ được 20cm.
Khi thi công cọc khoan nhồi trong vùng có hang động castơ, ngoài các sự cố thông thường của cọc khoan nhồi, còn có những sự cố khác như:
• Sự cố mất mũi khoan: Xảy ra khi khoan vào đá nứt nẻ, mũi khoan bị trượt kẹt vào hốc đá. Có thể giải quyết bằng cách hút nước để lỗ khoan khô rồi cho người xuống xử lý thủ công. Tuy nhiên cần chú ý khí độc có thể có trong hang ảnh hưởng đến sự an toàn của công nhân thao tác.
• Sự cố trượt búa, tụt ống vách: Xảy ra khi dưới hố khoan có mặt đá dốc. Trong quá trình hạ ống vách bằng búa, đáy ống vách bị xé rách, quăn lại và trượt theo mặt đá. Khi búa khoan đập đá hạ xuống sẽ tiếp tục đập vào ống vách và kéo ống vách tụt xuống. Khi gặp hiện tượng này, cần cho tiến hành hút nước, kiểm tra khí độc, đưa công nhân xuống cắt phần ống vách bị xé rách và quăn. Sau đó xử lý mặt đá nghiêng bằng cách bỏ đá hộc vào trong đáy hố khoan rồi dùng búa đập để phá vỉa đá nghiêng. Khi đã tạo phẳng tương đối mặt đá dưới đáy lỗ thì tiến hành khoan bình thường.
• Cọc bị nghiêng: Búa khoan đập đất đá và đóng ống chống bị trượt theo mặt đá và nghiêng theo mặt đá làm lệch vị trí cọc hoặc làm tim cọc bị nghiêng một góc theo phương thẳng đứng.
• Mất dung dịch khoan: Với phương pháp thi công cọc khoan nhồi bằng khoan lỗ phản tuần hoàn, dùng dung dịch giữ thành vách, sự cố xảy ra nhiều hơn phương pháp thi công dùng ống vách. Khi gặp hang castơ chết thông nhau hoặc hang castơ sống có dòng chảy, dung dịch khoan có thể thất thoát qua các kẽ thông nhau này. Trường hợp gặp hang castơ sống có bùn nhão có thể xảy ra hiện tượng trái ngược là sự dâng cao đột ngột của dung dịch khoan.
• Mất bê tông: Trường hợp kết quả khoan địa chất không đủ chính xác để phản ánh hết đặc điểm của địa chất castơ hoặc độ nứt nẻ của đá vôi quá lớn, khi đổ bê tông xảy ra hiện tượng mất bê tông so với lượng bê tông tính theo lý thuyết. Cá biệt có thể một số cọc khi đang đổ bê tông thì bê tông tươi tụt xuống rất nhanh, khối lượng bê tông thực tế và lý thuyết chênh nhau rất nhiều. Ngay cả với trường hợp có sử dụng ống vách để giữ thành hố khoan cũng có thể xảy ra sự cố mất bê tông. Khi rút ống vách lên, nếu dưới là hang castơ sống, đặc biệt các hang có nước có lưu tốc thì bê tông sẽ bị thất thoát. Để xử lý vấn đề này, khi rút ống vách lên, cần dùng ống vách phụ để làm cốp pha đổ bê tông. Ống vách phụ sẽ được để lại sau khi đổ bê tông xong.
• Không hạ ống chống đến cao độ yêu cầu hoặc khoan không xuống: Do gặp đá mồ côi và các vật cản khác.
• Không rút được ống vách: Đây là hiện tượng khá phổ biến trong phương pháp thi công cọc có ống vách, vì việc rút ống vách lên phụ thuộc vào chất đất ống vách đi qua và thao tác rút ống vách. Ngoài ra, do bề mặt đá bị nghiêng lệch hoặc gặp các hang hốc castơ làm tim cọc bị nghiêng lệch khiến thiết bị nhổ ống vách không thể phát huy hết năng lực. Bên cạnh đó, có những nền đá rất cứng mài mòn lưỡi khoan nhanh làm đường kính lỗ khoan nhỏ đi từ đó dẫn đến việc khó xoay và rút ống vách hơn.
• Vòm rỗng trong bê tông cọc: Khi rút ống vách lên kéo theo cả khối bê tông và phần cọc dưới ống vách cũng bị lồng thép kéo lên theo hoặc tạo thành vòm rỗng trong bê tông.
e) Vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật thường được dùng trong các công trình đường giao thông. Đây là giải pháp kinh tế hơn so với việc
chỉ mang tính tiềm ẩn. Vải địa kỹ thuật có thể được trải trong quá trình thi công lớp nền để che phủ mọi vùng có khả năng xảy ra lún sụt.
f) Cọc ngang
Giải pháp gia cố bằng cọc ngang được thực hiện bằng