5.3. Các công trình tiêu nước chuyên dụng 5.4. Phương pháp tháo khô
Bài 6: Khảo sát ĐCCT cho CTN
Từ trước đến nay ở Việt Nam, một số CTN đã từng được xây dựng trong các lĩnh vực giao thông vận tải, thủy điện, khai thác khoáng sản, nhưng trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng kỹ thuật đô thị, xây dựng dân dụng và công nghiệp, kho bãi,... thì hầu như chưa có (PGS.TS. Đặng Hữu Diệp).
http://congtrinhngam.org
Biên soạn: ThS. Phan Tự Hướng (tuhuongdcct36@gmail.com) Page 38
Chính vì vậy kinh nghiệm về khảo sát, qui hoạch thiết kế, thi công cũng như giám sát thi công trong xây dựng CTN còn rất hạn chế. Theo đà phát triển đi lên của của đất nước, xây dựng CTN với nhiều mục đích công năng khác nhau chắc chắn sẽ là xu thế rõ ràng. Điều đó bắt buộc chúng ta phải quan tâm đến những vấn đề chuyên môn đặc thù liên quan đến xây dựng CTN, trong đó vấn đề khảo sát ĐCCT với mục tiêu và nhiệm vụ của nó được đặt ra là thu thập và xác lập hồ sơ dữ liệu về các căn cứ ĐCCT làm cơ sở cho quy hoạch, thiết kế, thi công và giám sát thi công xây dựng CTN.
Trước khi khảo sát ĐCCT cho công trình ngầm, phải điều tra tường tận môi trường xung quanh như làm rõ vị trí, hiện trạng của các công trình xây dựng, các kết cấu ngầm, đường sá, ống ngầm,… hiện đang có trong phạm vi ảnh hưởng, đồng thời dự báo được những ảnh hưởng đối với công trình (và xung quanh) do việc thi công và hạ mực nước ngầm gây ra. Từ đó đề ra các biện pháp đề phòng, khống chế và quan trắc cần thiết. Nội dung điều tra như sau (nguồn từ Tạp chí người Xây dựng - số 6/2008):
- Công trình xây dựng trên mặt đất: Các công trình xây dựng trong phạm vi ảnh hưởng bằng khoảng 2-4 lần độ sâu hố đào ở xung quanh hố móng, phải điều tra rõ về hình thức kết cấu, kiểu loại, kích thước và độ chôn sâu của móng, thời gian thi công xây dựng, tình hình sử dụng, hiện trạng của lún, biến dạng, tình hình ổn định, có bị lún, nghiêng không đều nghiêm trọng không, có vết nứt không và bề rộng vết nứt như thế nào?…
- Kết cấu ngầm: Chủ yếu là đường xe điện ngầm, đường hầm, công trình phòng không, bể chứa dầu, nhà gara ngầm,… Cần làm rõ hình thức kết cấu, độ chôn sâu, vị trí, công năng sử dụng và khả năng có thể xảy ra khi di dịch vị trí.
- Đường ống ngầm: chủ yếu là ống khí đốt, ống cấp thoát nước, đường cáp điện, điện thoại,… Phải điều tra rõ về công năng sử dụng, vị trí, độ chôn sâu, áp lực trong ống, đường kính ống, vật liệu ống và cấu tạo mối nối ống,…
- Đường sắt, đường bộ: Điều tra rõ về đường ray của đường sắt, kết cấu mặt đường bộ, cự li từ đường sắt (bộ) tới hố móng, tình hình của nền đường, lưu lượng xe cộ và tải trọng của xe,…
- Điều kiện môi trường tại vùng đất xây dựng công trình và vùng đất phụ cận: Yêu cầu phải có các thông tin về những yêu cầu về môi trường như hạn chế biến dạng
http://congtrinhngam.org
Biên soạn: ThS. Phan Tự Hướng (tuhuongdcct36@gmail.com) Page 39
bề mặt, chuyển dịch ngang của đất, chấn động, tiếng ồn, xử lý đất - nước thải lúc thi công,... cùng các điều kiện khí hậu của địa phương (mưa, ngập lụt, nắng hạn). Làm sáng tỏ những yếu tố nói trên là một trong những nhiệm vụ khảo sát xây dựng để phục vụ cho lộ trình chung là "khảo sát - thiết kế - thi công" và nhờ đó để giải quyết các yêu cầu sau:
- Dự báo những vấn đề ĐCCT có thể xảy ra khi thiết kế và thi công CNT. Trên lựa chọn phương án tối ưu cho giải pháp kết cấu, biện pháp thi công và quy hoạch chung.
- Xác định tải trọng lên các kết cấu chịu lực.
- Chính xác hoá sơ đồ tính và lập kế hoạch thi công.
- Dự báo những biến đổi có thể xảy ra của môi trường đô thị có liên quan đến xây dựng và khai thác.
6.1. Những vấn đề cần lưu ý khi khảo sát ĐCCT cho xây dựng CTN
6.1.1. Địa hình, địa mạo
Yêu cầu làm sáng tỏ hình thái và cấu trúc bề mặt địa hình khu vực như cao độ, độ dốc, độ phân cắt, lồi lõm của bề mặt, nguồn gốc đất đá cấu tạo nên bề mặt địa hình đó,... Các đặc trưng địa mạo sẽ chi phối việc quy hoạch chọn nơi đặt cửa vào và đường trục của CTN, cao độ của nó, tiết diện, chiều dài của công trình. Ở trong môi trường đá, cửa vào thường được chọn nơi địa tầng có lớp đá dày và đá có cường độ cao, không được chọn những nơi có vách đá cao dễ sạt lở, có hiện tượng trượt, đá đổ, đá lở, lũ bùn đá,... Những nơi ứng suất kiến tạo cao thì đường trục công trình phải chọn theo hướng song song với phương của ứng suất chính trên mặt phẳng nằm ngang. Ứng suất kiến tạo gây nên bởi lực kiến tạo phát sinh từ các vận động địa chất nội lực trong vỏ trái đất. Môi trường đất đá sau khi đã hình thành, trong suốt quá trình tồn tại nó luôn trải qua nhiều kì vận động địa chất như vận động nâng hạ mặt đất, vận động tạo núi. Ứng suất kiến tạo theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang đều có giá trị khác nhau, đồng thời trên mặt phẳng nằm ngang thường xuất hiện ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất, giá trị của chúng không bằng nhau. Một lần xảy ra vận động địa chất sẽ tạo nên ứng suất kiến tạo hiện diện bên trong địa tầng, về sau chúng có thể biến đổi
http://congtrinhngam.org
Biên soạn: ThS. Phan Tự Hướng (tuhuongdcct36@gmail.com) Page 40
và giải thoát gây nên các hiện tượng địa chất trong CTN, tạo nên những biến dạng dị thường hoặc hiện tượng phụt mảnh đá, gây mất ổn định của công trình. Đường trục công trình phải giao cắt nhau với đường phương của địa tầng hoặc đường phương của đứt gãy thành một góc lớn không nhỏ hơn 400, đồng thời bố trí dọc theo đường đỉnh của khối núi, không được bố trí cắt qua vùng trũng thấp hoặc các khe hẻm. Trường hợp bất khả kháng phải bố trí đường trục công trình đi qua những đơn nguyên địa mạo kém ổn định thì bắt buộc phải có biện pháp gia cố, thoát nước hoặc thiết kế kết cấu chống đỡ.
Công tác đo vẽ ĐCCT nghiên cứu các bề mặt kết cấu, các tổ chức khe nứt, vị trí thế nằm các đứt gãy, kích thước và trạng thái gắn kết và mức độ chứa nước của đứt gãy, của khe nứt, nghiên cứu các đặc trưng địa mạo và các hiện tượng địa chất ngoại sinh, hình thái và sự ổn định của địa hình.
6.1.2. Cấu tạo địa chất
Việt Nam tồn tại 2 dạng môi trường đất - đá khác nhau. Ở mỗi môi trường đó có những vấn đề chuyên môn khác nhau.
Ở môi trường đá, nếu gặp điều kiện cấu tạo địa chất tốt, áp lực địa tầng không lớn, địa tầng gồm các lớp đá có bề dày lớn, đá có cường độ cao thì việc thiết kế cũng như thi công CTN thuận lợi. Trong trường hợp đó CTN có thể được thiết kế không có kết cấu khung vỏ bảo vệ giữ ổn định, hoặc nếu cần chỉ thiết kế kết cấu nhẹ.
Nhưng có trường hợp gặp cấu tạo địa chất kém, có nhiều đứt gãy đi qua, nhiều hệ thống khe nứt và đới vỡ vụn, áp lực địa tầng rất lớn, đá trầm tích với các lớp đá có bề dày nhỏ, đá bị phong hóa mạnh, chứa nhiều nước,... Khi đó đất đá ở nóc và hai bên hầm ngầm sẽ không ổn định và bắt buộc phải sử dụng vỏ chống đỡ. Kết cấu khung vỏ chống đỡ của CTN sẽ chịu một áp lực đá vây quanh rất lớn, nếu không đảm bảo về mặt chịu lực sẽ có thể xảy ra các sự cố nghiêm trọng như sập vòm, biến dạng mất ổn định hoàn toàn.
Phương pháp khoan đào kết hợp địa vật lý nghiên cứu đặc trưng địa tầng, bề dày của tầng phủ và đới phong hóa, xác định dòng nước ngầm và hướng vận động của nó, phát hiện dị thường địa chất như đứt gãy, hệ thống khe nứt, các thấu kính đất đá mềm yếu và các hang cactơ.
http://congtrinhngam.org
Biên soạn: ThS. Phan Tự Hướng (tuhuongdcct36@gmail.com) Page 41
6.1.3. Tính chất cơ lý của đất đá
Đây là một trong những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự ổn định của CTN. Quy hoạch chọn địa điểm, thiết kế và thi công CTN phải dựa trên cơ sở đánh giá định tính sự ổn định của công trình. Trong quá trình khảo sát ĐCCT, điều quan trọng chủ yếu là phải dự báo đánh giá sự ổn định của đất đá vây quanh công trình sau khi đã xây dựng xong, nhằm mục đích cung cấp dữ liệu cho thiết kế và thi công công trình. Có hai yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình, yếu tố ĐCCT và yếu tố xây dựng. Đối với yếu tố ĐCCT, cần chú ý đến đặc trưng kết cấu của thể đất đá nguyên trạng, cường độ chịu lực của thể đất đá nguyên trạng và hoạt động của nước dưới đất. Với CTN, ngoài các thí nghiệm cơ lý thông thường, cần có những thí nghiệm khác phù hợp với loại công trình đó.
a. Đối với môi trường là đá cứng, nửa cứng:
Thể đá nguyên trạng được hiểu là một khối đá với kích thước bất kỳ còn đang hiện diện trong môi trường tự nhiên của nó. Đặc trưng kết cấu của thể đá nguyên trạng là các bề mặt xuyên cắt trong nó, gồm các bề mặt phân cách địa tầng (các lớp đất đá), bề mặt khe nứt, bề mặt đứt gãy, thế nằm, mức độ uốn nếp, tính dị hướng,... Để đánh giá khả năng xây dựng trong đá, cần đánh giá mức độ nguyên khối, chỉ tiêu cường độ kháng nén đơn trục ở trạng thái khô gió và bão hòa, hệ số hoá mềm,...
Để đánh giá định lượng mức độ nguyên khối, người ta đưa ra hệ số nguyên khối Kv và từ đó đánh giá trạng thái nguyên khối của thể đá.
Bảng 3: Phân cấp mức độ nguyên khối của thể đá nguyên trạng dựa theo hệ số nguyên khối Kv = (Vp/V’p)
Kv > 0.75 0.75 – 0.55 0.55 – 0.35 0.35 – 0.15 < 0.15
Mức độ
nguyên khối Nguyên khối nguyên khốiTương đối Tương đối vỡ vụn Vỡ vụn Rất vỡ vụn
Ghi chú: VP - tốc độ sóng đàn hồi dọc tại hiện trường của đá (m/s)
V’P - tốc độ sóng đàn hồi dọc của mẫu đá khô trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra để đánh giá mức độ liền khối và phong hoá của đá, có thể sử dụng giá trị RQD (Rock Quanlity Designation). Giá trị RQD là tỷ lệ tổng các thỏi đá có chiều dài lớn hơn 10cm trên chiều dài hiệp khoan (tính bằng %).
http://congtrinhngam.org
Biên soạn: ThS. Phan Tự Hướng (tuhuongdcct36@gmail.com) Page 42
Phân loại chất
lượng RQD (%) Mật độ nứt nẻ trên 1m Tỷ vận tốc Vr/Vi Yếu tố khối
Rất xấu Xấu Trung bình Tốt Rất tốt 0 - 25 25 - 50 50 - 75 75 - 90 90 - 100 > 15 15 - 8 8 - 5 5 - 1 < 1 0.0 - 0.2 0.2 - 0.4 0.4 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 - 1.0 < 0.2 0.2 - 0.5 0.5 - 0.8 0.8 - 1.0
Ghi chú: Vr - vận tốc sóng nén tại hiện trường của khối đá
Vi - vận tốc sóng nén trong phòng thí nghiệm của khối đá.
Yếu tố khối (mass factor) là tỷ số biến dạng khối đá với tất cả đặc trưng cấu trúc của nó và độ biến dạng lõi đá nguyên dạng (theo Hobbs).
Cường độ của thể đá nguyên trạng được đánh giá dựa vào cường độ kháng nén một trục ở trạng thái bão hòa của đá kết hợp với đánh giá mức độ nguyên khối của nó. Phân cấp mức độ cứng rắn của đá dựa theo giá trị cường độ kháng đơn trục ở trạng thái bão hòa của đá Rn.
Bảng 5: Phân cấp mức độ cứng rắn của đá theo Rn.
Rn (Mpa) > 120 120 - 70 70 - 30 30 - 15 15 - 5 < 5
Mức độ cứng rắn
Đá cứng Đá mềm
Rất cứng Cứng Tương đối cứng Tương đối mềm Mềm Rất mềm
Để tính toán ổn định vách, nền công trình ngầm trong khối đá, có thể sử dụng thí nghiệm hiện trường để xác định cường độ kháng cắt của đá. Tuy nhiên việc xác định góc ma sát và lực dính của khối đá gặp nhiều khó khăn vì khối đá là một môi trường bất đồng nhất vì luôn tồn tại các khe nứt, đới dập vỡ,... Với đá dễ bị hoà tan như đá vôi, đôlômít,... thì cần nghiên cứu khả năng bị ăn mòn của chúng.
b. Đối với môi trường là đất mềm rời và mềm dính:
Môi trường đất đá chủ yếu gồm đất mềm rời (cát, bụi, sỏi, sạn,...), đất mềm dính (sét, sét pha, cát pha) và một số loại đất đặc biệt như bùn, than bùn, đất nhiễm mặn, trương nở, lún ướt,... So với đá cứng và nửa cứng, đất mềm rời và đất mềm dính có khả năng ổn định kém hơn nhiều. Hiện nay, phần lớn CTN được xây dựng ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP. HCM,... Đây là vùng đồng bằng được hình thành do quá trình tích tụ trầm tích nguồn gốc sông, biển, hồ đầm lầy và quá trình san lấp mặt bằng tạo nên.
http://congtrinhngam.org
Biên soạn: ThS. Phan Tự Hướng (tuhuongdcct36@gmail.com) Page 43
Khi xây dựng CTN ở trong môi trường đất mềm dính cần chú ý những vấn đề ổn định của đất đá hai bên vách, đáy CTN. Có thể sử dụng thí nghiệm cắt phẳng một trục trong phòng để đánh giá khả năng ổn định vách và nền CTN. Nếu gặp đất yếu như sét, sét pha có trạng thái dẻo chảy, chảy thì có thể sử dụng thí nghiệm cắt cánh hiện trường để xác định lực dính kết không thoát nước Cu và độ nhạy của đất. Ngoài ra có thể dùng thí nghiệm cắt 3 trục trong phòng tuỳ vào điều kiện thi công. Nếu tốc độ thi công nhanh, đất không kịp thoát nước và không cố kết thì dùng sơ đồ thí nghiệm UU (Undrained Unconsolidate). Nếu tốc độ thi công chậm và đất thoát nước tốt (đất được cố kết) thì dùng sơ đồ thí nghiệm CU (Consolidate Undrained). Khi tính tường chắn làm kết cấu vĩnh cửu của công trình (ví dụ như tường tầng hầm của nhà cao tầng) phải dùng lực dính và góc ma sát trong từ thí nghiệm ứng suất hữu hiệu (đo được áp lực nước lỗ rỗng). Ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng có thể xác định được từ thí nghiệm xuyên điện CPTU.
Thí nghiệm nén một trục ở trong phòng cung cấp chỉ tiêu tính nén, hệ số nén lún và mô đun biến dạng,… để tính toán biến dạng. Khi phải tính đến ảnh hưởng của việc giảm tải trọng (khi đào móng) rồi lại tăng tải (khi xây công trình) thì phải thí nghiệm đàn hồi. Cần xem xét lịch sử ứng suất, xác định áp lực tiền cố kết, chỉ số nén và chỉ số đàn hồi, nhờ đó mới có thể dự báo chính xác độ lún của công trình. Trường hợp công trình xây dựng trọng yếu đặt trên đất mềm yếu phân bố với chiều sâu lớn, phải xác định hệ số cố kết chứ cấp dùng để tính toán lún thứ cấp. Đối với công trình trọng yếu, cần phải dùng phương pháp thí nghiệm hút nước hiện trường hoặc thí nghiệm bơm nước để đo hệ số thấm của đất. Với công trình bình thường, có thể làm thí nghiệm thấm ở trong phòng để đo hệ số thấm theo phương thẳng đứng và hệ số thấm theo phương nằm ngang. Thí nghiệm xuyên điện CPTU còn cho phép xác định hệ số thấm ngang của đất đá thông qua sự tiêu tán của áp lực nước lỗ rỗng. Với loại đất cát và đất đá vụn rời có thể dùng thí nghiệm cột nước không đổi, với đất loại sét có thể áp dụng thí nghiệm cột nước biến đổi, còn loại đất mềm dính có tính thấm nước kém thì có thể xác định bằng thí nghiệm cố kết.
Khi xây dựng CTN ở trong môi trường đất mềm rời cần chú ý về thành phần hạt,