Tài liệu Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ thích hợp để bảo vệ hố móng trong quá trình thi công các công trình ven biển vùng trung trung bộ

Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Vũ Thanh Te, người thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn: - Ban giám hiệu Trường Đại học thuỷ lợi; Phòng đào tạo Đại học và sau Đại học, Khoa công trình, Khoa kỹ thuật biển Trường Đại học thuỷ lợi. - Lãnh đạo Công ty tư vấn xây dựng thủy lợi tỉnh Quảng Trị. Xí nghiệp khai thác thủy nông Nam Thạch Hãn. Đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Bộ môn Thi công Trường Đại học thuỷ lợi đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài. Cám ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè, người thân và gia đình đã động viên giúp đỡ tôi rất nhiều trong nghiên cứu, học tập. Tác giả Phan Ngọc Chiến DANH MỤC VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN HNNN Hạ mực nước ngầm T Độ dày tầng nước có áp MNN Mực nước ngầm D Đường kính ống lọc ĐCTV Địa chất thủy văn J Gradien thấm của lớp đất Q Lưu lượng nước Độ sâu phải hạ thêm mực nước trong giếng qg Lưu lượng một giếng ∆s h0 Độ ngập ống lọc γ Trọng lượng riêng chất lỏng a Khoảng cách giữa các giếng liền nhau P Áp suất l Chiều dài ống lọc g Gia tốc trọng trường s Độ hạ thấp mực nước ngầm Fg Diện tích thu nước của giếng S Độ sâu hạ mực nước ngầm Z Cao độ mực nước ngầm S0 Độ sâu MNN ở tâm hố móng R Bán kính WW Thể tích các lỗ rỗng ro Bán kính giếng ρ Khối lượng riêng của chất lỏng R Bán kính ảnh hưởng μ Độ nhớt động lực của nước h Cột nước trong giếng γ1 Trọng lượng riêng đất nền H Độ sâu hạ giếng ∆h Cột nước tiêu hao khi nước chảy qua ống R R R R lọc H0 Cột nước ngầm tại điểm A K Hệ số thấm của đất nền M Chiều dày của lớp trầm tich F Diện tích hố móng xo Bán kính biểu kiến ω Diện tích lỗ xói tạo giếng v Tốc độ nước thấm lớn nhất vào ống lọc Wp Độ ẩm phân tử Kn Hệ số thấm của đất nền theo phương ngang T Hệ số dẫn nước γ cs Trọng lượng riêng vật liệu cát sỏi làm lớp Ta Cột nước vùng ảnh hưởng lọc quanh giếng Kđ Hệ số thấm của đất nền theo Vx Vận tốc dòng chảy trong lỗ khoan trào ra phương thẳng đứng ngoài. R R R R R MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................................1 T 6 3 T 6 3 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1 T 6 3 T 6 3 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 2 T 6 3 T 6 3 3. Cách tiếp cận, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................... 3 T 6 3 T 6 3 4. Dự kiến kết quả đạt được ............................................................................... 3 T 6 3 T 6 3 5. Bố cục luận văn .............................................................................................. 3 T 6 3 T 6 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI HỐ T 6 3 MÓNG CÔNG TRÌNH TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI ...............4 1.1. Tình hình xây dựng công trình hố móng và các giải pháp bảo vệ mái T 6 3 hố móng .............................................................................................................. 4 T 6 3 T 6 3 1.1.1. Sơ lược về công tác bảo vệ hố móng trong nước và trên Thế giới ........4 T 6 3 T 6 3 1.1.2. Yêu cầu chung của công tác bảo vệ mái hố móng .................................8 T 6 3 T 6 3 1.1.3. Đặc điểm của công trình hố móng. ........................................................9 T 6 3 T 6 3 1.1.4. Một số hình ảnh về giải pháp bảo vệ mái hố móng công trình ............10 T 6 3 T 6 3 1.2. Nguyên nhân dẫn đến sự cố và cách khắc phục xử lý sự cố khi thi T 6 3 T 6 3 công hố móng công trình .................................................................................. 22 1.2.1. Nguyên nhân dẫn đến sự cố khi thi công hố móng công trình .............22 T 6 3 T 6 3 1.2.2. Cách khắc phục và xử lý sự cố khi thi công hố móng. ........................28 T 6 3 T 6 3 1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................... 33 T 6 3 T 6 3 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG VIỆC TÍNH T 6 3 TOÁN HỆ THỐNG GIẾNG HẠ THẤP MỰC NƯỚC NGẦM................35 T 6 3 2.1. Đặc điểm và yêu cầu của các hố móng .................................................... 35 T 6 3 T 6 3 2.1.1. Đặc điểm hố móng................................................................................35 T 6 3 T 6 3 2.1.2. Yêu cầu tiêu nước hố móng ..................................................................35 T 6 3 T 6 3 2.1.3. Sơ lược về tình hình hạ thấp MNN trên thế giới và trong nước ..........36 T 6 3 T 6 3 2.2. Các phương pháp tiêu nước hố móng công trình thủy ............................. 40 T 6 3 36 T 2.2.1. Phương pháp tiêu nước xung quanh hố móng .....................................40 T 6 3 T 6 3 2.2.2. Hạ thấp mực nước ngầm bằng phương pháp điện thấm ......................44 T 6 3 T 6 3 2.2.3. Phương pháp đóng băng nhân tạo .......................................................45 T 6 3 T 6 3 2.2.4. Hạ thấp mực nước ngầm bằng hệ thống giếng ....................................46 T 6 3 T 6 3 2.3. Giếng khoan.............................................................................................. 50 T 6 3 T 6 3 2.3.1. Cấu tạo giếng khoan ............................................................................50 T 6 3 T 6 3 2.3.2. Các dạng giếng khoan ..........................................................................51 T 6 3 T 6 3 2.3.3. Quy trình thi công giếng ......................................................................52 T 6 3 T 6 3 2.4. Cơ sở vận động của nước dưới đất ............................................................ 53 T 6 3 T 6 3 2.4.1. Đặc trưng về độ rỗng và hệ số nhã nước .............................................53 T 6 3 T 6 3 2.4.2. Định luật Đarcy ....................................................................................55 T 6 3 T 6 3 2.4.3. Phương trình vi phân liên tục của dòng ngầm, điều kiện ban đầu T 6 3 và điều kiện biên .............................................................................................59 T 6 3 T 6 3 2.5. Các phương pháp tính toán thiết kế hạ thấp mực nước ngầm .................. 60 T 6 3 T 6 3 2.5.1. Tính toán hạ mực nước ngầm theo phương pháp truyền thống ...........60 T 6 3 T 6 3 2.5.2. Sử dụng phần mềm Modflow tính toán hạ thấp mực nước ngầm ........66 T 6 3 T 6 3 2.6. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 72 T 6 3 T 6 3 CHƯƠNG 3. VẬN DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ TÍNH TOÁN T 6 3 T 6 3 BẢO VỆ THÀNH VÁCH HỐ MÓNG VÀ HẠ THẤP MỰC NƯỚC T 6 3 NGẦM CHO CỐNG + ĐẬP VIỆT YÊN TỈNH QUẢNG TRỊ ..................73 T 6 3 T 6 3 3.1. Áp dụng tính toán thiết kế HMNN cho cống + đập Việt Yên – Q.Trị ...... 73 T 6 3 T 6 3 3.1.1. Giới thiệu chung về công trình .............................................................73 T 6 3 T 6 3 3.1.2. So sánh lựa chọn phương pháp hạ mực nước ngầm ............................80 T 6 3 T 6 3 3.1.3. Tính toán bố trí hệ thống giếng HMNN cho cống + Đập Việt Yên .....80 T 6 3 T 6 3 3.1.4. Đánh giá hiệu quả của việc tính toán phần mềm Modflow trong T 6 3 tính toán thiết kế HMNN ................................................................................93 T 6 3 T 6 3 3.2. Đề xuất hình thức, giải pháp thi công bảo vệ thành vách hố móng và T 6 3 hạ thấp mực nước ngầm cho cống + đập Việt Yên tỉnh Quảng Trị ................ 93 T 6 3 T 6 3 3.2.1. Các hình thức cải tiến kỹ thuật nhằm tăng hiệu quả hoạt động của T 6 3 hệ thống giếng phục vụ HMNN cho hố móng ................................................93 T 6 3 T 6 3 3.2.2. Giảm giá thành công tác hạ thấp mực nước ngầm ...........................100 T 6 3 T 6 3 3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................... 104 T 6 3 T 6 3 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................106 T 6 3 T 6 3 4.1. Kết luận ................................................................................................... 106 T 6 3 T 6 3 4.2. Kiến nghị ................................................................................................. 107 T 6 3 T 6 3 4.3. Những vấn đề còn tồn tại của luận văn ................................................... 108 T 6 3 T 6 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................109 T 6 3 T 6 3 PHỤ LỤC 1. HÌNH ẢNH MÔ PHỎNG PHẦN MỀM MODFLOW CHẠY BÀI TOÁN HẠ THẤP MNN 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THI CÔNG HẠ THẤP MNN CỦA HỐ MÓNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1: ..................................................................................................................... Bảng 1-1: Lựa chọn kết cấu chắn giữ, bảo vệ mái hố móng..................................... 6 Bảng 1-2: Các phương pháp hạ thấp MNN và làm khô nhân tạo đất yếu bão hòa nước và điều kiện sử dụng ...................................................................................... 19 Bảng 1-3: Phạm vi áp dụng các biện pháp hạ mực nước ngầm............................... 19 Bảng 1-4: So sánh các phương pháp HMNN........................................................... 20 Chương 2: ..................................................................................................................... Bảng 2-1: Độ rỗng của các loại đất đá khác nhau(Todd và Mays, 2005)................ 54 Bảng 2-2: Trị số T a phụ thuộc vào S và H............................................................... 66 R R Chương 3: ..................................................................................................................... Bảng 3-1: Khối lượng các công tác chính xây dựng cống- đập Việt Yên............... 77 Bảng 3-2: Các chỉ tiêu cơ lý của nền móng............................................................. 78 DANH MỤC HÌNH VẼ Chương 1: ..................................................................................................................... Hình 1-1: Công trình pacific thi công đến tầng hầm thứ 5 thì làm sập Viện Khoa học xã hội tại TP.Hồ Chí Minh (Nguồn internet)........................................................... 4 Hình 1-2: Trình tự công việc đào và chắn giữ bảo vệ mái hố móng sâu................... 6 Hình 1-3: Các loại chắn giữ bằng cọc hàng............................................................. 12 Hình 1-4: Phạm vi áp dụng HMNN ở hiện trường.................................................. 21 Hình 1-5: Xử lý cọc tre hố móng Trạm bơm Văn Quỷ - Hải lăng – Quảng Trị...... 21 Hình 1-6: Hiện tượng cát chảy theo nước ngầm từ mái vào hố móng cống Vân Cốc........................................................................................................................... 22 Hình 1-7: Xử lý HMNN cống Hiệp Thuận bằng Cừ thép kết hợp hệ thống............ 22 Hình 1-8: Xử lý cọc Lasel hố móng cống Vân Cốc.................................................. 22 Hình 1-9: Xử lý bơm tiêu nước ngoài hố móng bờ phải đập chính Cửa Đạt........... 22 Chương 2: ..................................................................................................................... Hình 2-1: Hệ thống tiêu nước xung quanh hố móng................................................ 40 Hình 2-2: Hệ thống tiêu nước nằm ngang................................................................ 42 Hình 2-3: Hệ thống tiêu nước thẳng đứng............................................................... 42 Hình 2-4: Thiết bị tiêu nước chặn trên..................................................................... 43 Hình 2-5: Hệ thống tiêu nước ven bờ....................................................................... 43 Hình 2-6: Sơ đồ hạ nước ngầm theo phương pháp điện thấm................................. 44 Hình 1: Sơ đồ hoạt động theo phương pháp đóng băng nhân tạo......................... 45 Hình 2-8: Sơ đồ bố trí hệ thống giếng kim xung quanh hố móng........................... 47 Hình 2-9: Sơ họa ống lọc của giếng kim khi làm việc ............................................ 48 Hình 2-10: Cấu tạo giếng kim với khớp nối............................................................ 49 Hình 2-11: Cấu tạo ống lọc giếng............................................................................ 49 Hình 2-12: Sơ đồ bố trí cấp làm việc của giếng kim khi hố móng sâu.................... 50 Hình 2-13: Sơ đồ cấu tạo giếng khoan..................................................................... 50 Hình 2-14: Sơ đồ các dạng giếng khoan không hoàn chỉnh.................................... 51 Hình 2-15: Dòng chảy không giới hạn vào giếng khoan nước ngầm hoàn chỉnh.... 52 Hình 2-16: Mối quan hệ giữa bất đồng nhất phân tầng và bất đẳng hướng............. 58 Hình 2-17: Mặt cắt ngang giếng hoàn chỉnh............................................................ 61 Hình 2-18: Mực nước ngầm được hạ xuống thấp hơn đáy móng ổn định.............. 63 Hình 2-19: Sơ đồ tính toán giếng không hoàn chỉnh................................................ 65 Hình 2-20: Sơ đồ tính toán hệ thống giếng không hoàn chỉnh................................ 65 Hình 2-21: Sơ đồ hóa hệ thống địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu................... 69 Hình 2-22: Sơ đồ giải hệ phương trình vi phân....................................................... 70 Hình 2-23: Sơ đồ khối giải bài toán bằng phần mềm Modflow............................... 71 Chương 3: ..................................................................................................................... Hình 3-1: Mặt cắt ngang hố móng cống + đập Việt Yên......................................... 86 Hình 3-2: Mặt bằng bố trí hệ thống giếng HMNN cống + đập Việt Yên ................ 86 Hình 3-3: MNN hạ thấp xung quanh hố móng sau khi bơm nước - TH1................ 87 Hình 3-4: Cống + đập Việt Yên trường hợp 1- mặt cắt ngang qua tim hố móng.... 88 Hình 3-5: Cống + đập Việt Yên trường hợp 1- mặt cắt dọc qua tim hố móng........ 88 Hình 3-6: Đường quan hệ MNN ở giữa hố móng theo thời gian TH1.................... 89 Hình 3-7: MNN hạ thấp xung quanh hố móng sau khi bơm nước - TH2................ 89 Hình 3-8: Cống + đập Việt Yên trường hợp 2 - mặt cắt dọc qua tim hố móng....... 90 Hình 3-9: Cống + đập Việt Yên trường hợp 2- mặt cắt ngang qua tim hố móng.... 90 Hình 3-10 : Đường quan hệ MNN ở giữa hố móng theo thời gian - TH2............... 91 Hình 3-11: MNN hạ thấp xung quanh hố móng sau khi bơm nước - TH3.............. 91 Hình 3-12: Cống + đập Việt Yên trường hợp 3 - mặt cắt dọc qua tim hố móng... 92 Hình 3-13: Cống + đập Việt Yên trường hợp 3 - mặt cắt ngang qua tim hố móng..92 Hình 3-14 : Đường quan hệ MNN ở giữa hố móng theo thời gian - TH3............... 93 Phụ lục 1: Hình ảnh mô phỏng phần mềm Modflow chạy bài toán hạ thấp MNN.... 1 Phụ lục 2: ..................................................................................................................... Hình PL1: Hố móng bản đáy Cống Vân Cốc đang chuẩn bị đặt thép, dựng ván khuôn để đổ bê tông trong khi nước ngầm vẫn nổi lên trong hố móng...................6 Hình PL2: Hệ thống giếng kim ở trạm bơm Hữu Bị 2 hoạt động không có hiệu quả nước ngầm vẫn chảy ra mái gây ra cát chảy làm sạt lở mái, phải đóng cọc tre xử lý thêm.......................................................................................................................... 6 Hình PL3: Bố trí và lắp đặt giếng cống Hiệp Thuận................................................. 7 Hình PL4: Đào hố móng cống Hiệp Thuận trong điều kiện khô ráo......................... 7 Hình PL5: Đổ bê tông sân thượng lưu....................................................................... 8 Hình PL6: Hạ mực nước ngầm thi công bể tiêu năng.............................................. 8 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: U T ừ bao đời nay nhân dân ta đã bền bỉ làm công tác thủy lợi cải tạo thiên nhiên, chiến thắng hạn hán lũ lụt, bảo vệ tính mạng và tài sản của nhân dân, của nhà nước, bảo vệ sản xuất, duy trì và thúc đẩy kinh tế xã hội. Từ năm 1955 đến nay sự nghiệp Thủy lợi nước ta phát triển ngày càng mạnh mẽ, nhất là từ sau ngày giải phóng Miền nam năm 1975. Trong những năm vừa qua, việc xây dựng các công trình thủy lợi trên địa bàn cả nước nói chung, các tỉnh duyên hải vùng trung Trung bộ nói riêng đã góp phần rất quan trọng trong việc giảm nhẹ thiên tai, xây dựng cơ sở hạ tầng tạo đà cho các ngành kinh tế phát triển một cách bền vững, góp phần cải tạo môi trường cân bằng sinh thái. Trong quá trình xây dựng và phát triển, bên cạnh những thành tựu đã đạt được vẫn có một số tồn tại trong khảo sát, thiết kế (thủy văn, địa chất công trình, thủy công ) và thi công dẫn đến sự cố hư hỏng một phần hoặc toàn bộ hạng mục công trình đặc biệt là khi thi công các công trình chịu ảnh hưởng của thủy triều trên địa bàn một số tỉnh ven biển duyên hải Miền trung. Với điều kiện địa chất phức tạp, điều kiện tự nhiên khắc nghiệt, sự am hiểu về công nghệ thi công móng vùng triều còn gặp nhiều hạn chế dẫn đến tiến độ thi công chậm, chất lượng thi công kém, và giá thành công trình cao. Một số công trình chịu ảnh hưởng của điều kiện địa chất phức tạp như công trình cống ngăn triều Việt Yên (Quảng trị), Mỹ Trung (Quảng Bình), ...... Đề tài “Nghiên cứu giải pháp khoa học công nghệ thích hợp để bảo vệ hố móng trong quá trình thi công các công trình ven biển vùng trung Trung bộ” được tác giả thực hiện nhằm tổng kết về lý luận và thực tiễn những tồn tại và thiếu sót trước đây có liên quan đến an toàn, ổn định mái hố móng khi thi công gặp trường hợp mạch đùn cát chảy. Bên cạnh đó tác giả cũng phân tích nguyên nhân gây ra các sự cố sạt mái hố móng các cống vùng triều..; từ đó đưa ra một số giải pháp 2 khoa học công nghệ thích hợp để xử lý các sự cố sạt mái hố móng do gặp điều kiện địa chất phức tạp. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài: U Nghiên cứu về tổng quan các biện pháp bảo vệ hố móng công trình, các yếu tố là nguyên nhân gây ra sự cố làm mất ổn định mái hố móng công trình vùng triều, đặc biệt đối với hố móng có tầng địa chất phức tạp như “ Mạch đùn cát chảy”... Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp công nghệ thi công thích hợp bảo vệ cho các hố móng công trình ven biển trung Trung bộ. 3. Cách tiếp cân, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu: U a). Cách tiếp cân, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: U - Cách tiếp cận: Thông qua việc nghiên cứu các giải pháp thi công công trình cống vùng triều, các tài liệu của một số cơ quan nghiên cứu, khảo sát, thiết kế, thi công và quản lý xây dựng công trình cống vùng triều thuộc khu vực trung Trung bộ. - Đối tượng nghiên cứu: Hố móng các công trình ven biển vùng trung Trung bộ. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu một số công trình cống vùng triều có địa chất phức tạp thuộc khu vực trung Trung bộ. b). Phương pháp nghiên cứu: U - Phương pháp phân tích: Tiến hành quan sát thực tế, tổng kết phân tích những ưu nhược điểm của những công trình đã thiết kế và thi công trước đây để rút ra những vấn đề liên quan đến công tác tiêu nước hố móng. Từ đó chọn giải pháp thích hợp để vận dụng cho các công trình trong khu vực nghiên cứu. - Phương pháp nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, các phương pháp hạ thấp mực nước ngầm. Phương pháp xử lý móng công trình trong điều kiện địa chất phức tạp như: “Mạch đùn cát chảy” và đề xuất các giải pháp công nghệ khắc phục. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu về công trình vùng triều thuộc khu vực trung Trung bộ. 3 - Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học có trình độ chuyên môn cao và nhiều kinh nghiệm thực tế trong quá trình nghiên cứu. 4. Dự kiến kết quả đạt được: - Lựa chọn phương pháp nghiên cứu khoa học thích hợp cho công trình cống vùng triều thuộc khu vực trung Trung bộ. - Vận dụng tính toán kiểm tra cho công trình : cống + đập ngăn mặn Việt Yên ở tỉnh Quảng Trị. - Kiến nghị một số vấn đề cơ bản về công tác khảo sát, thiết kế, thi công và quản lý xây dựng các công trình chịu ảnh hưởng triều thuộc khu vực nghiên cứu. 5. Bố cục và nội dung của luận văn: * Bố cục của luận văn: Luận văn gồm phần mở đầu, 4 chương, tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương I. Tổng quan về các giải pháp bảo vệ mái hố móng các công trình vùng triều trong nước và trên thế giới. Chương II. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trong việc tính toán hệ thống giếng hạ thấp mực nước ngầm. Chương III. Vận dụng kết quả nghiên cứu để tính toán bảo vệ thành vách hố móng và hạ thấp mực nước ngầm cho công trình: cống + đập ngăn mặn Việt Yên tỉnh Quảng Trị. Chương IV. Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo; Phụ lục. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI HỐ MÓNG CÁC CÔNG TRÌNH VÙNG TRIỀU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. Tình hình xây dựng công trình hố móng trong nước và trên thế giới, các giải pháp bảo vệ mái hố móng 1.1.1 Sơ lược về công tác bảo vệ hố móng trong nước và trên Thế giới. Móng của hầu hết các công trình thường nằm dưới mặt đất từ vài mét đến hàng chục mét. Việc đào đất đá đến cao trình đặt móng là công việc đầu tiên khi thi công xây dựng của bất cứ công trình nào. Khi đào móng chuyển đi một khối lượng đất đá, con người đã phá vỡ cân bằng tự nhiên của môi trường đất đá – nước dưới đất nên đã xảy ra một loạt các hiện tượng gây trở ngại đến công tác đào móng: đất đá ở thành hố trượt lở, di chuyển vào hố móng, đất ở đáy hố bị đẩy trồi, nước dưới đất, cát chảy vào hố móng, vùng đất xung quanh hố móng chuyển vị làm cho các công trình lân cận bị lún sụt, nứt nẻ,...Nếu không chủ động đề ra các biện pháp xử lý các hiện tượng trên trước khi đào hố móng thì việc thi công công trình sẽ khó khăn, kéo dài thời gian thi công, kinh phí gia tăng và nhiều khi làm giảm các chỉ tiêu xây dựng của đất nền, phá hoại các công trình ở lân cận. Như tòa nhà Viện Khoa học xã hội vùng nam bộ ở 49 Nguyễn Thi Minh Khai (Quận 1 thành phố Hồ Chí Minh) đã bị lún sụt ngày 9 - 10 - 2007 khi đang thi công tầng hầm của cao ốc khách sạn Pacific. [16] Hình 1-1: Công trình pacific thi công đến tầng hầm thứ 5 thì làm sập Viện Khoa học xã hội tại TP.Hồ Chí Minh (Nguồn internet) Công trình hố móng cũng được tiến hành cho các công trình ngầm như tầng hầm kỹ thuật hoặc dịch vụ dưới các nhà cao tầng (Gara ôtô, 5 kho hàng,...) các đường ống cấp nước thoát nước, khí đốt, điện, cáp thông tin, nút vượt ngầm cho người đi bộ, ga và đường tàu điện ngầm; dây chuyền của nhà máy; công trình phục vụ quốc phòng... Khi đào hố móng phải có các biện pháp kỹ thuật để đối phó với các hiện tượng xảy ra: Sạt lở thành hố, nước ngầm chảy vào hố móng, đất nền đáy hố bị phình nở, ngấm nước hoặc chịu lực đẩy của áp lực nước, biến dạng của các công trình lân cận. Tháp đôi trung tâm thương mại Thế giới ở New York – Mỹ (đã bị sụp đổ ngày 11/9/2001 do máy bay của bon khủng bố đâm vào) bằng thép gồm 110 tầng với độ cao 405m được đặt trên đá phiến Manhatan tại độ sâu 21m. Khối lượng đào đắp, đất đá đào hố móng trong phạm vi 6,4 ha là 11,6 triệu m3. Phải chống đỡ liên P P tục cho hai đường xe điện ngầm đang hoạt động và dùng tường vữa xi măng lỏng và các neo vào đá để bảo vệ các nhà xung quanh khỏi bị biến dạng khi đào hố móng.[16] Tháp Latino America 43 tầng cao nhất Mexico City có tầng hầm đào sâu 12,6m. Kết cấu phần dưới đất đặt trên các cọc nhồi bịt đáy đổ tại chỗ ở độ sâu 33m trên một lớp cát mỏng nhưng rất chặt. Để ngăn chặn hiện tượng đẩy trồi quá mức do đào hố móng, áp suất thủy tĩnh tầng đất sét phía dưới được giảm bằng cách hút nước từ giếng để thoát nước cho các tầng cát mỏng ở trong lớp sét. Còn để ngăn ngừa nước lún xung quanh, nước được dẫn vào máng chứa cuội và giếng nhận nước ở ngay ngoài tường cừ vây quanh khu vực xây dựng. Một gara ngầm ở Genive (Thụy sĩ) đường kính 57m, sâu 28m gồm 7 tầng có sức chứa 530 ôtô con được xây dựng bằng phương pháp giếng chìm. Trụ sở Vietcom bank ở Hà Nội cao 22 tầng có 2 tầng hầm với hố móng sâu 11m, đã dùng tường trong đất sâu 18m, dày 0,8m kết hợp 101 neo đất để giữ cho hố móng được ổn định. [16] - Công tác bảo vệ mái hố móng công trình phụ thuộc chủ yếu vào nội dung, trình tự, phương pháp thi công hố móng và địa chất nền. Ứng với mỗi phương pháp, 6 cách thức đào và địa chất của nền mà người ta có biện pháp bảo vệ mái hố móng thích hợp cho từng phương pháp. - Từ quá trình thiết kế, thi công, giám sát công trình hố móng và tổng hợp một số tài liệu có liên quan, ta có thể đưa ra nội dung và trình tự công việc đào và chắn giữ bảo vệ mái hố móng sơ bộ theo sơ đồ (hình 1-2), hoặc (bảng 1-1): Đào Phương thức - Hạ mực nước ngầm không có - Đào đất chắn giữ - Gia cố nền và chắn giữ mái dốc và - Kết cấu quây giữ nội dung Đào có chắn giữ - Hệ thống chắn giữ - Đào đất - Hạ mực nước ngầm - Gia cố nền, quan trắc - Bảo vệ xung quanh Hình 1-2: Trình tự công việc đào và chắn giữ bảo vệ mái hố móng sâu [7] Bảng 1-1: Lựa chọn kết cấu chắn giữ, bảo vệ mái hố móng [7] Độ Lựa chọn phương pháp chắn giữ bảo vệ sâu hố Bùn và đất yếu ≤ 6m (a) Cọc nhào trộn xi măng đất Đất sét thông thường (a) Cấp I hoặc cấp II trở lên đào đất có mái dốc. (b) Cọc bê tông φ600 + tay chống hoặc thanh neo + (b) Làm mái dốc + giếng thu nước tường ngăn nước. (c) mái dốc cục bộ + tường đinh đất (hoặc neo chống giữ). (c) Cọc đóng (cọc thép, BTCT dự ứng lực + tường máng ngăn (d) Tường gạch chắn giữ, làm mái dốc nước + tay chống hoặc thanh cục bộ, cộc nhồi (φ600 ) neo + dầm ở ngang lưng (e) Là mái dốc cục bộ + cọc nhồi tường). (φ600 ). 7 6m ≤ H ≤10m (a) Cọc bê tông (φ800 ÷ 1000) + (a) Làm dốc cục bộ + cọc bê tông (φ600 ) + tay chống hoặc thanh tường mỏng ngăn nước + tay chống hoặc thanh neo. neo + tường mỏng ngăn nước. (b) Tường liên tục (b=600 ÷ 800) (b) Làm dốc cục bộ + cọc đóng + tay chống hoặc thanh neo + tường + tay chống hoặc thanh neo mỏng ngăn nước. (c) Cọc đóng + tay chống hoặc thanh neo + tường mỏng ngăn (c) Làm dốc cục bộ + tường ngầm liên tục xi măng đất + tường đinh đất nước. (hoặc phun neo chắn giữ) + hạ (d) Tường ngầm liên tục xi măng mực nước ngầm. đất + tay chống hoặc thanh H > 10m neo. (d) Làm dốc cục bộ + giữ hình vòm + hạ mực nước hoặc tường mỏng ngăn nước. (a) Tường liên tục (b= 800÷1000 (a) Làm dốc cục bộ + cọc bê tông + thanh chống hoặc thanh neo + ) + tay chống hoặc thanh neo. tường mỏng ngăn nước. (b) Cọc đường kính lớn (φ800 ÷ 1000) + tường mỏng ngăn (b) Làm dốc cục bộ + tường liên tục + tay chống hoặc thanh neo. nước + tay chống hoặc thanh neo. (c) Làm dốc cục bộ + tường đinh đất hoặc phun néo để chắn giữ + hạ (c) Tường liên tục hoặc cọc mực nước. đường kính lớn + gia cố đất + tay chống hoặc thanh neo + (d) Làm dốc cục bộ + cọc đóng + tay tường mỏng ngăn nước. chống hoặc thanh neo + tường mỏng ngăn nước. Vùng ven biển nước ta có địa hình thấp trũng, thường xuyên chịu tác động của thuỷ triều có biên độ lớn, bão với nước biển dâng cao, sóng to, gió lớn gây ảnh hưởng đến sản xuất, sinh hoạt của nhân dân. Trong những năm gần đây, do biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Các công trình tiêu thoát lũ ở ven cửa sông, biển hầu như làm việc quá tải và không đáp ứng kịp thời, dẫn đến việc tiêu thoát nước không kịp về mùa lũ. Đặc biệt là trong quá trình xây dựng công trình, việc xử lý hố móng công trình trong khu vực này là hết sức phức tạp. Nguyên nhân chủ yếu là do tình hình địa chất phức tạp , các công trình gần sông, biển chịu ảnh hưởng lớn về chế độ thủy triều lên xuống. Đặc biệt khu vực 8 trung Trung bộ có điều kiện địa hình hiểm trở kèm theo tình hình địa chất, địa chất thủy văn trong khu vực xây dựng không được thuận lợi, nên quá trình thi công ban đầu đặc biệt là khâu xử lý hố móng trong môi trường cát chảy là hết sức phức tạp và gây nhiều tốn kém. 1.1. 2. Yêu cầu chung của công tác bảo vệ mái hố móng. Khi thi công hố móng công trình, đặc biệt là hố móng sâu ở những nơi có địa chất yếu chịu ảnh hưởng của nước ngầm, các công trình lân cận và địa hình thi công chật hẹp thì tối thiểu phải đảm bảo ba yêu cầu sau: + Phải có phương án chống giữ, gia cố chính xác, an toàn kinh tế và kỹ thuật. + Phương án thiết kế chống giữ tiên tiến, phải áp dụng được các tiến bộ khoa học. + Phải có một đội ngũ thi công được huấn luyện tốt. Thiết bị máy móc hiện đại. Ba yêu cầu trên chính là những nội dung chủ yếu trong việc phòng ngừa và xử lý sự cố công trình hố móng. - Phương án chống giữ chính xác tức là việc lựa chọn kết cấu chống giữ hố móng phải dựa trên cơ sở thích hợp với địa phương, tổng hợp các nhân tố kỹ thuật, kinh tế, an toàn và môi trường, để có thể đạt được biện pháp thích đáng, an toàn, hợp lý không có hại đến môi trường. - Thiết kế tiên tiến tức là vận dụng được các biện pháp kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế chống giữ hố móng để giải quyết thoả đáng việc chống giữ an toàn và kinh tế. - Đội ngũ thi công tốt: là đội ngũ có thể lĩnh hội đúng bản vẽ thiết kế và các tiêu chuẩn, quy phạm kỹ thuật đồng thời còn có đủ phương tiện và năng lực thực hiện tin học hoá trong công tác thi công. Ngoài ra phải đảm một số yêu cầu chung sau:[7] - Phải có đầy đủ tài liệu thiết kế kỹ thuật và thiết kế thi công hố móng công trình, để từ đó lập ra biện pháp thi công chi tiết cho hố móng và các phương án xử lý nếu không may xảy ra sự cố khi thi công công trình hố móng. 9 - Chuẩn bị đầy đủ vật liệu, phương tiện và công nghệ thi công mà nhà thiết kế yêu cầu, đồng thời đề xuất các vấn đề phát sinh, không hợp lý để đưa ra được biện pháp bảo vệ mái hố móng an toàn đảm bảo kỹ thuật và kinh tế nhất. - Khi có điều kiện, cần chọn mặt bằng của thành hố móng sao cho có lợi nhất về mặt chịu lực như hình tròn, hình đa giác đều và hình chữ nhật. - Cấu kiện của kết cấu chắn giữ mái, thành hố móng không làm ảnh hưởng đến việc thi công bình thường các kết cấu chính của công trình. - Trong điều kiện bình thường thì cấu kiện của kết cấu chắn giữ hố móng như tường vây, màn chống thấm, và neo...không được vượt ra ngoài phạm vi vùng đất cấp cho công trình, nếu không phải có sự đồng ý của các bộ phận chủ quản. - Phải thường xuyên kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị chắn giữ mái hố móng tránh để xảy ra sự cố có thể kiểm soát được. Phải tuyệt đối an toàn trong quá trình thi công công trình cả về người và thiết bị máy móc. 1.1.3. Đặc điểm của công trình hố móng. 1. Công trình hố móng là loại công trình tạm thời, sự dự trữ về an toàn có thể là tương đối nhỏ nhưng lại chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Điều kiện thi công, địa hình thi công, địa chất công trình, nước ngầm.v.v.. 2. Công trình hố móng là một khoa học đan xen giữa các khoa học về đất đá, về kết cấu và kỹ thuật thi công; là một loại công trình mà hệ thống chịu ảnh hưởng đan xen của nhiều nhân tố phức tạp; và là nghành khoa học kỹ thuật tổng hợp đang còn chờ phát triển về mặt lý luận. 3. Hố móng là loại công trình giá thành cao, khối lượng công việc lớn, kỹ thuật thi công phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều nhân tố biến đổi, sự cố hay xảy ra. Đồng thời cũng là trọng điểm để hạ thấp giá thành và bảo đảm chất lượng công trình. Theo đà phát triển của xã hội, các công trình cao tầng, siêu cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều. Đặc điểm lại thường được xây dựng tại những khu đất hẹp, đông đúc dân cư, giao thông dày đặc, điều kiện thi công công trình hố móng đều rất kém. Lân cận công trình thường có các công trình vĩnh cửu, các công trình di tích lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải được an toàn, không thể 10 đào có mái dốc. Yêu cầu về ổn định và chuyển dịch là rất nghiêm ngặt. Tính chất của đất đá thường biến đổi trong khoảng khá rộng, điều kiện ẩn dấu địa chất và tính phức tạp, tính không đồng đều của địa chất thuỷ văn thường làm cho số liệu khảo sát có tính phân tán lớn, khó đại diện cho tình hình tổng thể của các tầng đất, hơn nữa tính chính xác cũng thấp, dẫn đến tăng thêm khó khăn cho công việc thiết kế và thi công công trình hố móng. Đào hố móng trong điều kiện địa chất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp khác rất dễ sinh ra trượt lở khối đất, mất ổn định hố móng, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố móng trồi lên, kết cấu chắn giữ bị rò nước nghiêm trọng hoặc bị chảy đất...làm hư hại hố móng, nguy hiểm đến các công trình xây dựng, công trình ngầm và đường ống ở xung quanh khu vực thi công hố móng. 4. Công trình hố móng gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau như chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất... trong đó, một khâu nào đó thất bại sẽ dẫn đến cả công trình sẽ đổ vỡ. Việc thi công hố móng ở các hiện trường lân cận như đóng cọc, hạ mực nước ngầm, đào đất... đều có thể gây ra những ảnh hưởng hoặc có tương quan chặt chẽ với nhau, tăng thêm các nhân tố bất lợi để có thể gây ra sự cố. 5. Công trình hố móng có thời gian thi công dài, từ khi đào đất đến khi hoàn thành toàn bộ các công trình kín khuất ngầm dưới mặt đất phải trải qua nhiều lần mưa to, nhiều lần chất tải, chấn động, thi công có sai phạm... tính ngẫu nhiên của mức độ an toàn tương đối lớn, sự cố xảy ra thường là đột biến. 1.1.4. Một số giải pháp bảo vệ mái hố móng công trình 1. Chắn giữ hố móng bằng cọc hàng. 2. Chắn giữ bằng cọc trộn dưới sâu. 3. Chắn giữ bằng tường liên tục trong đất. 4. Chắn giữ bằng thanh chống, thanh neo, đinh đất. 5. Hạ mực nước ngầm kết hợp đào đất. 6. Một số phương pháp mới khác. 11 1.1.4.1 Chắn giữ hố móng bằng cọc hàng. 1. Giới thiệu chung. Khi thi công cụ thể là đào hố móng, ở những chỗ không tạo được mái dốc hoặc do hiện trường hạn chế không thể chắn giữ mái hố móng bằng một số phương pháp khác như: cọc trộn, thanh neo, thanh chống...và độ sâu hố móng khoảng (6 ÷ 10) m thì có thể chắn giữ bằng cọc hàng. Chắn giữ bằng cọc hàng có thể dùng cọc nhồi khoan lỗ, cọc bản bê tông cốt thép đúc sẵn đặc biệt là cọc bản thép….. Căn cứ vào kết cấu chắn giữ mái hố móng bằng cọc hàng có thể chia làm ba loại sau: a. Chắn giữ bằng cọc hàng theo kiểu dãy cột: Khi đất quanh hố móng tương đối tốt, mực nước ngầm tương đối thấp, có thể lợi dụng hiệu ứng vòm giữa hai cọc gần nhau (Ví dụ khi dùng cọc nhồi khoan lỗ hoặc cọc đào lỗ đặt thưa), để chắn mái đất. Hình 1-3a. b. Chắn giữ bằng cọc hàng liên tục. Hình 1-3b Trong đất yếu thì thường không thể hình thành được vòm đất, cọc chắn giữ phải xếp thành hàng liên tục. Cọc khoan lỗ dày liên tục có thể chồng tiếp vào nhau, hoặc khi cường độ bê tông thân cọc còn chưa hình thành thì làm một cọc rễ cây bằng bê tông không có cốt thép ở giữa hai cây cọc để nối liền cọc hàng khoan lỗ lại, như Hình 1-3c. Cũng có thể dùng cọc bản thép, cọc bản bê tông cốt thép, như Hình 1-3d,e. c. Chắn giữ bằng cọc hàng tổ hợp Trong vùng đất yếu có mực nước ngầm tương đối cao có thể dùng cọc hàng khoan nhồi tổ hợp với tường chống thấm bằng cọc xi măng đất, như Hình 1-3f. 12 cäc dÔ c©y hoÆc b¬m v÷a B­íc 2b a) b) Biªn ®µo hè c) cäc trén H×nh U b d) e) Biªn ®µo hè f) Hình 1-3: Các loại chắn giữ bằng cọc hàng Căn cứ vào độ sâu hố đào và tình hình chịu lực của kết cấu, chắn giữ bằng cọc hàng có thể chia làm ba loại sau đây: 1. Kết cấu chắn giữ không có chống (Conson): Khi độ sâu đào hố móng không lớn và có thể lợi dụng được tác dụng conson để chắn giữ được ở phía sau tường. 2. Kết cấu chắn giữ có chống đơn: Khi độ sâu đào hố móng lớn hơn, không thể dùng được kiểu không có chống thì có thể dùng một hàng chống đơn ở trên đỉnh của kết cấu chắn giữ (hoặc là dùng neo kéo). 3. Kết cấu chắn giữ nhiều tầng chống: Khi độ sâu đào hố móng là khá sâu có thể đặt nhiều tầng chống, nhằm giảm bớt nội lực của tường chắn. 2. Phạm vi áp dụng. - Căn cứ vào thực tiễn thi công ở vùng đất yếu, với độ sâu hố đào h < 6 m, khi điều kiện hiện trường cho phép thì áp dụng kiểu tường chắn làm bằng cọc trộn dưới sâu kiểu trọng lực là lí tưởng hơn cả. - Khi hiện trường bị hạn chế, cũng có thể dùng cọc Conson khoan lỗ hàng dày φ600 mm, giữa hai cọc được chèn kín bằng cọc rễ cây, cũng có thể làm thành màng ngăn nước bằng cách bơm vữa hoặc cọc trộn xi măng ở phía sau cọc nhồi. - Với loại hố móng có độ đào sâu (4 ÷ 6) m, căn cứ vào điều kiện hiện trường và hoàn cảnh xung quanh có thể dùng loại tường chắn bằng cọc trộn dưới sâu kiểu trọng lực hoặc đóng cọc BTCT đúc sẵn hoặc cọc bản thép, sau đó ngăn thấm