Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu công nghệ tường vây xây dựng công trình ngầm theo phương pháp đào hở trong điều kiện mặt bằng khó khăn luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng cầu hầm

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của quý thầy, cô trường Đại học Giao thông Vận tải, tôi đã hoàn thành luận án Thạc sĩ Kỹ thuật “Phân tích lựa chọn giải pháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM

Mã số: ………

Học viên : Vũ Hoàng Nguyên Lớp : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Khóa : K25.2

Giáo viên hướng dẫn: GS.TS Trần Đức Nhiệm

TP HỒ CHÍ MINH - 2020

THÔNG TIN LUẬN VĂN THẠC SỸ

1 Họ và tên học viên: Vũ Hoàng Nguyên

2 Chuyên ngành:

Kỹ thuật xây dựng xây dựng công trình giao thông

3 Lớp: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

4 Khóa: K25.2

5 Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Giao thông Vận tải – Phân hiệu tại TPHCM

6 Giáo viên hướng dẫn: GS.TS Trần Đức Nhiệm

Tên đề tài: “Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu – công nghệ tường vây xây

dựng công trình ngầm theo phương pháp đào hở trong điều kiện mặt bằng khó

khăn”.

Học viên thực hiện

Vũ Hoàng Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với sự giúp đỡ của quý thầy, cô trường Đại học Giao thông Vận tải, tôi đã hoàn thành luận án Thạc sĩ Kỹ thuật “Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu – công nghệ tường vây xây dựng công trình ngầm theo phương pháp đào hở trong điều kiện mặt bằng khó khăn”

Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ môn Cầu hầm - trường đại học Giao thông vận tải, các cán bộ quản lý và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy lớp Xây dựng Cầu hầm K25.2 đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này

Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Trần Đức Nhiệm đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh và hoàn thiện luận văn

TPHCM, NGÀY THÁNG NĂM 2020

TÁC GIẢ

VŨ HOÀNG NGUYÊN

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 9

1 Sự cần thiết phải nghiên cứu 9

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 10

2.1 Mục đích nghiên cứu 10

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

2.3 Cấu trúc luận văn 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG VÂY TRONG CÔNG TRÌNH NGẦM THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HỞ 1.1 Công trình ngầm theo phương pháp đào hở 12

1.1.1 Khái quát về công trình ngầm đô thị 12

1.1.2 Tổng quan các phương pháp xây dựng công trình ngầm đô thị 14

1.1.2.1 Đối với phương pháp đào kín: 14

1.1.2.2 Đối với phương pháp đào hở: 14

1.2 Tường vây trong thi công công trình ngầm 18

1.2.1 Tường vây với cọc cừ đơn hoặc kép 18

1.2.2 Tường ống thép có khớp neo 19

1.2.3 Tường Barrette 19

1.3 Tình hình sử dụng tường vây trong công trình ngầm ở Việt Nam 20

1.4 Kết luận chương I: 24

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ TƯỜNG VÂY TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO HỞ 26 2.1 Các dạng tường vây sử dụng trong những năm gần đây 26

2.2 Tường vây sử dụng cọc ván thép truyền thống 26

2.2.1.2 Cọc ván thép đôi 38

2.2.1.3 Phương pháp va đập: 40

2.3.1 Vật liệu chủ yếu làm tường Barrette 44

2.3.2 Kích thước hình học của cọc Barrette 44

2.3.4 Nhược điểm của cọc Barrette 45

2.3.5 Phạm vi áp dụng 46

2.3.6 Quy trình thi công cọc Barrette 47

2.3.7.1 Công tác chuẩn bị 48

2.3.7.2 Chuẩn bị mặt bằng thi công 51

2.3.7.3 Chuẩn bị hố đào 52

2.3.7.3 Đào hố panels đầu tiên 54

2.4 Tường vây với giải pháp công nghệ cọc ép – ôm (press-in method)… …56

2.5 Kết luận chương 2……… ……… 59

CHƯƠNG 3: Công nghệ cọc ép – ôm trong thi công tường vây cho công trình ngầm đô thị có điều kiện mặt bằng chật hẹp 63 3.1 Nguyên lý hạ cọc theo công nghệ Press-in 63

3.1.1 Phương pháp nén – ép: 63

3.2 Hệ thống thiết bị đồng bộ và tổ chức thi công tường cừ, tường vây với cọc Press-in 64

3.2.1 Hệ thống thiết bị cơ bản sơ khai 64

3.2.3 Máy nén cọc Press-in 66

3.2.4 Hệ thống xối nước và hệ thống khoan cắt 66

3.3.2 Các thao tác di chuyển trên hệ thống 71

3.3.3 Ưu thế và ứng dụng của công nghệ cọc press-in 71

3.3.3.1 Ứng dụng với công trình giao thông 71

3.3.3.2 Ứng dụng tron.g thi công móng cầu 74

3.3.3.3 Ứng dụng cải tạo công trình đường sắt 75

3.3.3.4 Ép cọc trong điều kiện thi công chật hẹp 77

3.4 Một số trường hợp ứng dụng thực tế 78

3.4.1 Các dự án đã thực hiện ở Việt Nam 78

3.4.2 Đề xuất ứng dụng công nghệ Press-in cho công trình xây dựng hầm chui

ở đường đô thị……… 79 3.5 Kết luận chương 3………82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

Kết luận 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hầm Thủ Thiêm 13

Hình 1.2: Hầm để xe của tòa nhà 174 TH 13

Hình 1.3: Tường vây cọc ván thép 17

Hình 1.4: Cọc ván ống thép có khóa nối 18

Hình 1.5: Tường vây cọc Barrette 18

Hình 1.6: Thi công tường vây cọc Barrette tòa nhà Landmark 81 21

Hình 1.7: Đường hầm chui Nguyễn Hữu Cảnh 22

Hình 1.8: Hầm Thủ Thiêm phần đào hở Phía quận 1 23

Hình 1.9: Bình đồ trắc dọc sơ bộ hầm Thủ Thiêm 23

Hình 1.10: Thi công phần ngầm Ga Bến Thành 23

Hình 1.11: Thi công phần đào hở tuyến Nhổn – Ga Hà Nội……… 23

Hình 2.1: Cọc ván thép hình chữ H và cọc ván thép hình ống 27

Hình 2.2 Tổng quan về ứng dụng Cọc ván thép 32

Hình 2.3: Ứng dụng bảo vệ kè của tường vây cọc ván thép 32

Hình 2.4: Ứng dụng làm tường chắn của tường vây cọc ván thép 33

Hình 2.5: Ứng dụng gia cố đất đắp của tường vây cọc ván thép 34

Hình 2.6: Ứng dụng cải tạo song ngòi của tường vây cọc ván thép 34

Hình 2.7 Cọc ván thép chữ U 35

Hình 2.8 Cọc ván thép kiểm sườn thẳng 36

Hình 2.9 Góc xoay tại khóa nối của cọc ván thép kiểm sườn thẳng 36

Hình 2.10: Cọc ván thép kiểu ô vây 37

Hình 2.11: Cọc ván thép kiểu chữ Z 38

Hình 2.12: Cọc ván thép tổ hợp 39

Hình 2.13: Thi công ép cọc bằng búa 41

Hình 2.14: Máy rung điện với cẩu Hình 2.15: Máy rung thủy lực gắn trên xe đào 42

Hình 2.16: Máy ép cọc thủy lực 43

Hình 2.18: Mặt cắt của tường dẫn 53

Hình 2.19: Khiếu nại của dân chúng về hoạt động xây dựng tại Nhật Bản 56

Hình 2.20: Giao thông bị tắc nghẽn trong quá trình xây dựng công trình 57

Hình 2.21 Máy nén ép cho cọc ván théo kiểu “cái mũ” 59

Hình 2.23 Máy nén ép thi công tiếp cận sát bên 60

Hình 3.1: Máy nén ép cọc dựa trên nguyên lý lực kháng 63

Hình 3.2: Hình dạng và vật liệu khác nhau của cọc ván thép 64

Hình 3.3: Hệ thống thiết bị cơ bản 64

Hình 3.4: Hệ thống thiết bị GRB 65

Hình 3.5: Cơ chế tự di chuyển trên đầu cọc của máy nén ép cọc 66

Hình 3.7: Phương pháp ép cọc với hệ thống khoan cắt 68

Hình 3.8: Sơ đồ lực nén ép cọc 70

Hình 3.9: Các thao tác trên hệ thống GRB không dàn 71

Hình 3.10 Sạt lở đất 72

Hình 3.11 Tường chắn cắm sâu vào đất nền cho công trình giao thông mở rộng 72

Hình 3.12 So sánh giữa phương pháp truyền thống và hệ thống GRB không dàn 73

Hình 3.13 Ép cọc trên sườn dốc 74

Hình 3.14 Sửa chữa cây cầu cũ 74

Hình 3.15 Thi công sửa chữa cầu 75

Hình 3.16 Thi công ép cọc cho các đường hầm tàu điện ngầm 76

Hình 3.17 Thi công ép cọc các công trình liền kề với đường sắt hiện có 77

PHẦN MỞ ĐẦU

1 SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHIÊN CỨU

Đô thị hóa và phát triển đô thị bền vững là một động lực phát triển của một quốc gia, quá trình đô thị hóa đã làm cho dân số đô thị tăng nhanh trong khi

cơ sở hạ tầng đô thị không đáp ứng đầy đủ, tạo nên sức ép quá tải ngày càng lớn về đất đai, cơ sở hạ tầng, công tác quy hoạch và quản lý đô thị…do đó việc khai thác một cách có hiệu quả không gian dưới mặt đất trong các đô thị hiện đại là xu thế tất yếu của sự phát triển Những không gian ngầm như đường hầm, hệ thống tàu điện ngầm, bãi đổ xe ngầm, tầng hầm các nhà cao tầng, việc thi công là rất phức tạp đặc biệt là trong không gian đô thị chật hẹp

có nhiều các công trình lân cận như nhà cao tầng, viện bảo tàng, di tích lịch

sử, hệ thống giao thông, hệ thống kỹ thuật…, có thể gây ảnh hưởng xấu đến chúng như lún, sụp đổ gây mất an toàn trong thi công làm ảnh hưởng đến chất lượng, tiến độ công trình và tác động xấu đến môi trường xung quanh Trong xây dựng công trình ngầm theo phương pháp đào hở (Đào và lấp – Cut and Cove) luôn có một hạng mục đồng hành cần thiết và quan trọng là hệ thống tường vây

Tùy thuộc chiều sâu đặt công trình ngầm tính từ mặt đất, có thể áp dụng một

số dạng kết cấu tường vây Trong số đó có thể kể đến các giải pháp truyền thống là tường vây với cọc cừ là cọc ván chế tạo sẵn (cọc ván thép; cọc ván BTCT đúc sẵn); tường liên tục trong đất với cọc Barrette Tuy nhiên, trong những điều kiện khó khăn về mặt bằng và điều kiện thi công, nhất là trong điều kiện đô thị với nhều công trình liền kề dễ bị ảnh hưởng, các giải pháp truyền thống gặp phải rất nhiều thách thức, khó khăn

nguyên tắc vận hành trong đó máy bám vào các cọc được cài đặt trước đó trong quá trình hạ cọc tiếp theo Điều này cho phép Máy làm việc và di chuyển chắc chắn dọc theo đỉnh cọc, loại bỏ nguy cơ lật máy do mặt nền di chuyển mềm và dốc Năm 1982, Hệ thống thiết bị Giken (GRB) đã được giới thiệu, với các các máy móc như hệ thống Tiếp cọc; bộ Di chuyển và bộ Ôm -

ấn được bám chặt và làm việc trên đỉnh hệ cọc Với sự sắp xếp thiết bị như vậy, toàn bộ quy trình đóng cọc như vận chuyển cọc, hạ cọc có thể được đồng bộ hóa một cách có hệ thống Điều này thay đổi phương pháp thi công, làm cho công tác hạ cọc tường vây có thể thực hiện được ở những khu vực nhạy cảm, mặt bằng hẹp, dốc khó khăn, các công trình xung quanh dễ bị ảnh hưởng, dẫn đến việc xây dựng nhanh hơn, dễ dàng hơn và an toàn hơn

2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Mục đích nghiên cứu

Việc nghiên cứu đề tài nhằm làm rõ khả năng áp dụng công nghệ cọc Press –

in trong thi công tường vây khi xây dựng công trình ngầm theo phương pháp đào hở : nguyên lý của công nghệ; hệ thống máy, thiết bị đồng bộ; vận hành

hệ thống và tổ chức thi công tường vây Cùng với đó là sự phân tích đánh giá

ưu điểm, nhược điểm và khả năng áp dụng

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống tường vây trong xây dựng công trình ngầm theo phương pháp đào hở; các giải pháp kết cấu công nghệ tường vây; Công nghệ cọc Press – in trong thi công tường vây

2.3 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, luận văn có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về tường vây trong công trình ngầm theo phương pháp đào hở

Chương 2: Các giải pháp kết cấu công nghệ tường vây trong xây dựng công trình ngầm đào hở

Chương 3: Công nghệ cọc ép – ôm trong thi công tường vây cho công trình ngầm đô thị có điều kiện mặt bằng chật hẹp

Kết luận và kiến nghị

Danh mục tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG VÂY TRONG CÔNG TRÌNH

NGẦM THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÀO HỞ

1.1 Công trình ngầm theo phương pháp đào hở

1.1.1 Khái quát về công trình ngầm đô thị

Trước tình hình đô thị hóa mạnh mẽ như hiện nay, thì nhu cầu xây dựng các công trình ngầm đang là xu hướng của mọi đô thị, mọi quốc gia trên toàn thế giới Tốc độ phát triển đô thị rất nhanh ở các thành phố lớn của nước ta như Thủ đô Hà Nội, TP.HCM trong những năm qua làm cho diện tích đất xây dựng ngày càng bị thu hẹp đáng kể Để đáp ứng nhu cầu xây dựng các công trình phục vụ cho đời sống dân sinh ở các thành phố đã và đang khai thác không gian ngầm dưới mặt đất như công trình dân dụng từ 4-6 tầng hầm, công trình giao thông sử dụng tàu điện ngầm sâu dưới mặt đất đến hàng chục mét

Các công trình ngầm trong đô thị thường gồm các loại sau:

- Đường hầm giao thông: hầm đường bộ, hầm đường sắt, hầm vượt song, hầm bộ hành, …

Hình 1.1: Hầm Thủ Thiêm

- Công trình ngầm dân dụng: Hầm các tòa nhà, trung tâm thương mại, quảng trường ngầm, gara ô tô ngầm,…

Hiện nay, quá trình đô thị hóa diễn ra càng nhanh chóng thì vấn đề đặt ra là thiếu quỹ đất, do đó việc xây dựng các công trình ngầm là vô cùng cấp thiết

và đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng mặt

1.1.2 Tổng quan các phương pháp xây dựng công trình ngầm đô thị

Công trình ngầm chủ yếu được thi công bằng 2 phương pháp: đào kín và đào

hở Phương pháp đào kín thường chỉ sử dụng cho các công trình đường hầm giao thông, còn lại các công trình ngầm đô thị, không gian ngầm đô thị khác thường được thi công bằng phương pháp đào lộ thiên (đào hở) hoặc phương pháp đào và lấp (cut and cover construction)

1.1.2.1 Đối với phương pháp đào kín:

+ Ưu điểm: Cơ giới hóa, tăng cao tốc độ thi công và tốc độ mở hầm

Tiết kiệm chi phí liên quan, cho phép giảm giá thành xây dựng trung bình 20-30% Đặc biệt sử dụng máy mở hầm có hiệu quả khi chiều dài hầm lớn hơn 1.5km [19]

+ Nhược điểm: Không thể áp dụng trong điều kiện địa chất thay đổi trong phạm vi đủ rộng

Đòi hỏi tay nghề của nhà thầu, mặc dù số lượng công nhân ít hơn nhưng đòi hỏi chất lượng tay nghề cao hơn Ngoài ra còn có các vấn đề bảo hành, sửa chữa máy móc thi công

Suất đầu tư ban đầu khá cao, cụ thể là vốn đầu tư máy móc, do đó số lượng nhà thầu thi công còn ít, chủ yếu là các nhà thầu nước ngoài có đủ điều kiện kinh tế

1.1.2.2 Đối với phương pháp đào hở:

Thi công chống thấm cho công trình ngầm đơn giản và có chất lượng

- Phương pháp đào mở sẽ có nhiều ưu việt khi công trình ngầm có diện tích lớn trên mặt bằng và không sâu lắm và thường được chọn dùng trong những điều kiện địa chất như :

Trong nền đất có đá lăn mồ côi, hay trong sỏi sạn;

Trong đất cát bão hoà nước đến độ sâu 6 - 7m;

Trong đất có độ ẩm tự nhiên đến độ sâu 10 - 11m;

Trong đất sét bão hoà nước đến độ sâu 10 - 12m;

Trong đất sét đến độ sâu 13 - 16m [19]

Máy móc thi công phổ biến, được áp dụng rộng rãi

+ Nhược điểm: Không cơ giới hóa, tiến độ thi công và mở hầm không cao Không an toàn, có thể xảy ra hiện tượng sập đổ khi hệ thống tường vây và hệ thống chống đỡ không đủ khả năng chịu lực

- Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông Có thể hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt nói trên khi dùng phương pháp đào của ngành mỏ bằng cách làm các tường vĩnh cửu của công trình ngầm trước, làm nắp của hầm đủ chắc chắn để phương tiện giao thông đi lại trên đó và công tác khác trên mặt đất cũng có thể thực hiện trên nắp công trình ngầm

- Trong đất sét yếu và đất bụi, việc đào hào sẽ bị hạn chế do phải duy trì ổn định vách hố và đáy hố, nên đòi hỏi phải thi công nhanh gấp

- Sự gò bó trong vạch tuyến khi phải bám theo đường phố hiệu hữu, đặc biệt

là bán kính cong nhỏ khi mở tuyến tàu điện ngầm Một số nơi hào đào lấn vào móng công trình hiện hữu làm cho nó kém đi về chịu lực hoặc biến dạng,

- Tiến độ thi công và giá thành của phương pháp đào - lấp bởi có nhiều việc phải làm thêm do những sai sót khi khảo sát điều tra hoặc đánh dấu vì chúng chỉ được phát hiện lúc đào, di dời hoặc phải đặt lại hệ thống kỹ thuật đô thị hiện đang khai thác (cáp điện, thông tin, ống cấp thoát nước ) là vấn đề khá phức tạp, kéo dài tiến độ thi công

- Chuyển vị của đất và lún các công trình hiện hữu Các phương pháp làm giảm sự trồi đáy hay giảm đào lẹm cũng như sự thay đổi dòng chảy và mực nước ngầm đều dẫn đến những trở ngại trong tiến độ thi công và thay đổi giá thành Dùng neo đất, thanh chống có lắp kích để căng chỉnh là những giải pháp có hiệu quả đối với công trình nhạy lún hoặc công trình cũ ở lân cận hố đào

- Việc di dân để giải phóng mặt bằng dành chỗ cho công trình cũng như cho sân bãi công trường xây dựng, tổ chức lại các tuyến giao thông, ồn, chấn động, bụi khi thi công thường là những vấn đề xã hội - kinh tế khó giải quyết nhanh gọn để công trình khởi công đúng hạn

Đối với phương pháp đào hở, nhất là đối với các công trình có chiều sâu đào lớn thì tiêu chí kỹ thuật thiết yếu đặt ra là giữ ổn định thành vách đào Do vậy nội dung kỹ thuật quan trọng và chủ đạo của phương pháp này là phải xây dựng được hệ thống tường vây (diaphgram) – tường vây cho hố đào sâu (diaphgram for deep excavation)

Tường vây cho công trình ngầm thường bao gồm các loại: tường vây cọc ván thép, tường ống thép có neo, tường barrette, …

Tường vây cọc cừ: sử dụng các loại cọc bê tông, cọc thép làm tường chắn

Hình 1.3: Tường vây cọc ván thép Tường vây ống thép có khóa nối: sử dụng các ống thép nối với nhau bằng liên kết khớp

Hình 1.4: Cọc ván ống thép có khóa nối Tường vây cọc Barrette: là loại cọc khoan nhồi BTCT được thi công bằng gầu ngoạm

Hình 1.5: Tường vây cọc Barrette

1.2 Tường vây trong thi công công trình ngầm

1.2.1 Tường vây với cọc cừ đơn hoặc kép

Thường có 4 loại cừ bản thép sau đây: Cừ thép bản phẳng: Ký hiệu SP-1, loại

cừ này có mô men kháng uốn không lớn, chiều dài chế tạo 8 - 22m

Cừ máng thép : Ký hiệu SP-2, chiều dài chế tạo 8 - 22m thường sử dụng cho các loại kết cấu chống thấm (đê quai, móng đập) công trình xây dựng;

Cừ thép chữ Z : Ký hiệu SK-1, SK-2, SĐ-5;

Cừ Larssen: Thường chế tạo 4 loại cừ: IV, V, VI, VII có chiều dài từ 8 - 22m với liên kết móc rắn chắc, tạo ra mô men kháng uốn lớn, đây là loại cừ đang được sử dụng phổ biến hiện nay

Loại này thường thi công bằng búa Diezel, cần có bãi tập kết máy móc

1.2.2 Tường ống thép có khớp neo

Tạo nên từ thép dạng ống chất lượng cao, đường kính ống từ 600-3000 mm, giữa các ống có các neo, neo gồm các dạng: P-P, P-T và L-T Móng này thường sử dụng làm tường vây cảng, cầu, công trình dân dụng, … Nhờ tính năng liên kết bằng tai nối nên tăng tính chịu lực, cọc dạng ống nên khả năng chống uốn cao

Loại tường vây này thường được thi công bằng búa xung kích

Các phương pháp thi công của các loại tường vây trên đều cần không gian để tập kết máy móc, thiết bị thi công, mặt bằng thi công Do vậy khi gặp trường hợp mặt bằng thi công chật hẹp sẽ rất khó áp dụng các loại tường vây này Với công nghệ sử dụng cọc ván thép, cọc ống thép truyền thống thì khó khăn lớn nhất của phương pháp này nằm ở phương pháp thi công Phương pháp thi công của công nghệ này sử dụng búa rung và búa diezel để hạ cọc, do đó sẽ

Còn với công nghệ cọc Barett, thách thức lớn nhất của công nghệ này khi áp dụng với điều kiện khó khăn như trên là chiếm quá nhiều diện tích mặt bằng

để tập kết máy móc, nhân công và vật liệu Điều này không khả dụng trong điều kiện mặt bằng thi công chật hẹp

Do vậy, việc đề xuất công nghệ mới có thể giải quyết công khó khăn tồn đọng như thi công được ở nơi mặt bằng chật hẹp, khó khăn, các công nghệ truyền thống không thể áp dụng được; không gây ra tiếng ồn, rung động chấn động là rất cần thiết

1.3 Tình hình sử dụng tường vây trong công trình ngầm ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, xu hướng sử dụng tường vây trong công trình ngầm phát triển rất mạnh từ những công trình nhà cao tầng, xây dựng móng trụ cầu, đường hầm, …

Xây dựng móng cho các tòa nhà cao tầng: Tòa nhà Landmark 81 có 3 tầng hầm, sử dụng tường vây cọc Barrette bao gồm 143 cọc barrette, chiều sâu từ

85 – 90m

Hình 1.6: Thi công tường vây cọc Barrette tòa nhà Landmark 81

Các hầm chui:

Hầm chui đường Nguyễn Hữu Cảnh: được khánh thành vào năm 2008, hầm

có bề rộng 19m, chiều dài phần kín 50m, chiều dài phần hở 220m

Hình 1.7: Đường hầm chui Nguyễn Hữu Cảnh Phần hầm đào hở của hầm Thủ Thiêm: phần đào hở phía bên quận 1 dài 400m, phía bên quận 2 dài 320m

Hình 1.8: Hầm Thủ Thiêm phần đào hở Phía quận 1

Hình 1.9: Bình đồ trắc dọc sơ bộ hầm Thủ Thiêm Phần đào hở ở tuyến Bến Thành – Suối Tiên

Hình 1.10: Thi công phần ngầm Ga Bến Thành Phần đào hở tuyến Nhổn – Ga Hà Nội

Hình 1.11: Thi công phần đào hở tuyến Nhổn – Ga Hà Nội

1.4 Kết luận chương I:

Trong giai đoạn đô thị hóa phát triển mạnh mẽ như hiện nay thì nhu cầu sử dụng đất tăng rất cao, kéo theo đó là hiện tượng thiếu quỹ đất Do vậy nhu cầu xây dựng công trình ngầm là xu hướng mạnh mẽ tại thời điểm hiện tại, tốc độ xây dựng công trình ngầm hiện nay tăng rất nhanh Các loại công trình ngầm phổ biến trong đô thị hiện nay là: đường hầm đường bộ, đường sắt, tầng hầm nhà cao tầng, …

Trong các phương pháp xây dựng công trình ngầm thì ngoài các đường hầm

ra thì phương pháp được sử dụng nhiều là phương pháp đào hở Trong phương pháp đào hở thì nội dung kỹ thuật quan trọng và chủ yếu chính là xây dựng hệ thống tường vây để chống đỡ thành vách cho hố đào Các loại tường vây bao gồm: tường vây cọc ván đơn (kép), tường vây ống thép có móc neo, tường barrette Nhưng đặc điểm chung của các loại tường vây này

là cần không gian tập kết máy móc, không gian mặt bằng Ở Việt Nam hiện nay, xu thế xây dựng công trình ngầm đang rất phát triển, điển hình có các

công trình sau: tầng hầm của các tòa nhà dân dụng, Landmark 81, Vinhomes,

…; các phần hở của đường hầm Bến Thành – Suối Tiên, Nhổn – Ga Hà Nội; Hầm Chui Nguyễn Hữu Cảnh, Hầm Thủ Thiêm, …

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ TƯỜNG VÂY

TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÀO HỞ

2.1 Các dạng tường vây sử dụng trong những năm gần đây

Trong thi công hầm đào hở, hố đào sâu thì hiện tượng mất an toàn thành hố đào luôn là mối đe dọa đáng ngại nhất, có thể gây hậu quả nghiêm trọng về người và của Do đó, công tác giữ ổn định thành vách hố đào là công tác tối quan trọng trong thi công đào hở/ hố sâu, do vậy tường vây chính là công trình quan trọng nhất, là yếu tố kỹ thuật chủ đạo trong thi công hầm đào hở/

hố đào sâu

Tường vây trong thi công hầm đào hở/ hố đào sâu phải đảm bảo các yếu tố

kỹ thuật sau:

- Đảm bảo chiều sâu của tường vây theo yêu cầu

- Đảm bảo cường độ chống lại áp lực đất, áp lực thủy tĩnh

- Đảm bảo điều kiện độ mảnh,…

- Đảm bảo chất lượng vật liệu tường vây

- Đảm bảo hình dạng, kích thước trên mặt bằng

- Đảm bảo điều kiện ăn mòn dới tác dụng của nước ngầm

Trong những năm gần đây, các công trình ngầm sử dụng tường vây thường

sử dụng các loại tường vây: cọc barette, cọc bê tông cốt thép, cọc xi măng đất, cọc ván thép truyền thống Nhưng chủ yếu được sử dụng nhiều là cọc ván thép đơn hoặc kép và cọc barrette

2.2 Tường vây sử dụng cọc ván thép truyền thống

Ngày nay, trong lĩnh vực xây dựng Cọc ván thép (steel sheet pile) được sử dụng ngày càng phổ biến Từ các công trình thủy công như cảng, bờ kè, cầu tàu, đê chắn song, công trình cải tạo dòng chảy, công trình cầu, đường hầm đến các công trình dân dụng như bãi đậu xe ngầm, tầng hầm nhà nhiều tầng,

nhà công nghiệp Cọc ván thép không chỉ được sử dụng trong các công trình tạm thời mà còn có thể được sử dụng cho các công trình vĩnh cữu và có thể được xem như là một loại vật liệu xây dựng với những đặc tính riêng biệt, thích dụng với một số bộ phận chịu lực trong các công trình xây dựng

Cọc ván thép có nhiều hình dạng tiết diện khác nhau và ngày càng có nhiều tính năng ưu việt hơn như tiết diện chữ U, chữ Z, dạng kiểu mũ (Hat type), dạng tấm phẵng (straight web) cho các kết cấu tường chắn khép kín, dạng hộp (box pile) được cấu thành bởi 2 cọc U hoặc 4 cọc chữ Z hàn với nhau…[14] Tùy theo mức độ tải trọng tác dụng mà tường chắn có thể chỉ dùng cọc ván thép hoặc kết hợp sử dụng cọc ván thép với thép hình H hoặc cọc thép ống nhằm tăng khả năng chịu mô mômen uốn Các cọc ván thép được nối với nhau thông qua các mối liên kết giữa chúng ở hai biên tạo thành một bức tường liên tục có kết cấu chắc chắn để chịu áp lực ngang và tải trọng đứng nhờ sức chống đầu cọc và ma sát thân cọc với đất nền

Hình 2.1: Cọc ván thép hình chữ H và cọc ván thép hình ống [5]

Về kích thước, cọc ván thép có bề rộng bản thay đổi từ 400 đến 750mm Sử dụng cọc có bề rộng bản lớn thường đem lại hiệu quả kinh tế hơn so với cọc

chảy qua các rãnh khóa của cọc Chiều dài cọc ván thép có thể chế tạo tại xưởng dài tới 38m, tuy nhiên chiều dài thực tế của cọc thường được quyết định bởi điều kiện vận chuyển (thông thường từ 9 đến 15m) riêng cọc dạng hộp gia công tại công trường có thể lên đến 72m) [6]

Ưu nhược điểm của cọc ván thép

Ưu điểm của cọc ván thép

Cọc ván thép có những ưu điểm sau:

- Khả năng chịu ứng suất động khá cao (cả trong quá trình thi công lẫn trong quá trình sử dụng)

- Khả năng chịu lực lớn trong khi trọng lượng khá bé

- Cọc ván thép có thể nối dễ dàng bằng mối nối hàn hoặc bulông nhằm gia tăng chiều dài

- Cọc ván thép có thể sử dụng nhiều lần, do đó có hiệu quả về mặt kinh tế

- Có khả năng thi công nhanh và trong các khu vực chật hẹp

Những tiện ích nói trên làm cho cọc ván thép ngày càng sử dụng phổ biến tại tại các nước phát triển như Nhật Bản Tại Việt Nam Cọc ván thép cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi cả cho các công trình tạm và công tình vĩnh cửu như: công trình cảng Container trung tâm Sài Gòn sử dụng 22.100 m tương đương với hơn 2.100 tấn; Dự án xây dựng bến số 3, số 4 cảng Đình Vũ – Hải Phòng sử dụng 25.450m cọc ván thép tương đương với 2.673 tấn Ngoài ra còn có rất nhiều các công trình sử dụng một lượng lớn cọc ván thép cho mục đích tạm thời hoặc vĩnh cữu như: dự án đường cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh – Trung Lương; dự án cải tạo nút giao thông Kim Liên – Hà Nội, hay các công trình nhà cao tầng, nhà xây chen

Theo tài liệu nghiên cứu của Nippon Steel Corporation thì cọc ván thép được ứng dụng rất rộng rãi tại Nhật Bản cho các công trình xây dựng vĩnh cửu và các công trình tạm phục vụ thi công

Cụ thể, khoảng 70% lượng cọc ván thép được sử dụng tại Nhật Bản là cho các công trình vĩnh cữu, trong đó nhiều nhất là kè bờ sông (khoảng 30%), tiếp đến là các công trình xây dựng bến cảng, cầu tàu và các công trình phục

vụ nông nghiệp, ngư nghiệp, kè chắn đường và một số công trình khác Chỉ 30% lượng cọc ván thép tại Nhật Bản được sử dụng cho các công trình tạm [5]

Nhược điểm của cọc ván thép

- Nhược điểm lớn nhất của Cọc ván thép là tính bị ăn mòn trong môi trường làm việc (khi sử dụng cọc ván thép trong công trình vĩnh cữu) Tuy nhiên nhược điểm này hiện nay hoàn toàn có thể khắc phục bằng các phương pháp bảo vệ như sơn phủ chống ăn mòn mạ kẽm, chống ăn mòn điện hóa hoặc có thể sử dụng loại cừ thép được chế tạo từ loại thép đặc biệt có tính chốn ăn mòn cao Ngoài ra, mức độ ăn mòn của cừ thép theo thời gian trong môi trường khác nhau cũng được nghiên cứu và ghi nhận lại Theo đó tùy thuộc vào thời gian phục vụ của công trình được quy định trước, người thiết kế có thể chọn được loại cừ thép với độ dày phù hợp để xét đến sự ăn mòn này

- Cần có mặt bằng tập kết cọc, mặt bằng tập kết máy móc, dụng cụ thi công, đường chuyền máy móc thi công

- Gây ra tiếng ồn khi áp dụng các biện pháp thi công đóng bằng búa diesel hoặc búa hơi,…

Ứng dụng của cọc ván thép

- Công trình vĩnh cữu: Công trình cầu cảng, công trình gia cố bờ sông hoặc kênh rạch, đê chắn sóng, tường chắn, tường chống xói, tường cắt dòng, đập, đê biển và các công trình khác

- Công trình tạm thời: Tường chắn đất, tường chống, công trình phục

vụ thi công mố trụ cầu, công trình dạng đảo và các công trình khác

- Công trình đặc biệt: Xi lô dầu, công trình bảo vệ ống dẫn dầu, công trình lấp gia công chống động đất, công trình chống biển lấn và các công trình khác

Với khả năng chịu tải trọng động cao, dễ thấy cọc ván thép rất phù hợp cho các công trình cảng, cầu tàu, đê đập, ngoài áp lực đất còn chịu lực tác dụng của sóng biển cũng như lực va đập của tàu thuyền khi cặp cảng Trên thế giới đã có rất nhiều công trình cảng được thiết kế trong đó cọc ván thép (thường kết hợp với hệ tường neo và thanh neo) đóng vai trò làm tường chắn, đất được lấp đầy bên trong và bên trên là kết cấu nền cảng bê tông cốt thép với móng cọc ống thép hoặc cọc bê tông cốt thép ứng suất trước bên dưới Tường cọc thép này cũng được ngàm vào bê tông giống như cọc ống Hệ tường neo thông thường cũng sử dụng cọc ván thép nhưng có kích thước và chiều dài nhỏ hơn so với tường chính

Với các công trình đường bộ, hầm giao thông đi qua một số địa hình đồi dốc phức tạp hay men theo bờ sông thì việc sử dụng cọc ván thép để ổn định mái dốc hay làm bờ bao cũng tỏ ra khá hiệu quả

Trong các công trình dân dụng, cọc ván thép cũng có thể được sử dụng để làm tường tầng hầm trong nhà nhiều tầng hoặc trong các bãi đỗ xe ngầm thay cho tường bê tông cốt thép Khi đó, tương tự như phương pháp thi công Top-down, chính cọc ván thép sẽ được hạ xuống trước để làm tường vây chắn đất phục vụ thi công hố đào Bản thân cọc ván thép sẽ được hàn thép chờ ở mặt trong để có thể bám dính chắc chắn với bê tông của các dầm biên được đổ

sau này Trên các rãnh khóa giữa các cọc ván thép sẽ được chèn bitum để ngăn nước chảy vào tầng hầm hoặc có thể dùng đường hàn liên tục để ngăn nước (trong trường hợp này nên dùng cọc bản rộng để hạn chế số lượng các rãnh khóa).Trong thiết kế, cọc ván thép ngoài việc kiểm tra điều kiện bền chịu tải trọng ngang còn phải kiểm tra điều kiện chống cháy để chọn chiều dày phù hợp Bề mặt của cọc ván thép bên trong được sơn phủ để đáp ứng tính thẩm mỹ đồng thời cũng để bảo vệ chống ăn mòn cho cọc ván thép Cũng không quên nhắc lại lĩnh vực mà cọc ván thép được sử dụng nhiều nhất

đó là làm tường vây chắn đất hoặc nước khi thi công các hố đào tạm thời Ta

có thể thấy cọc ván thép được sử dụng khắp mọi nơi: trong thi công tầng hầm nhà dân dụng, nhà công nghiệp, thi công móng mố trụ cầu, hệ thống cấp thoát nước ngầm, trạm bơm, bể chứa, kết cấu hạ tầng, thi công van điều áp kênh mương,…tùy theo độ sâu của hố đào cũng như áp lực ngang của đất và nước mà cọc ván thép có thể đứng độc lập (sơ đồ côngxon) hay kết hợp với một hoặc nhiều hệ giằng thép hình (sơ đồ dầm liên tục) Đa phần hệ giằng được chế tạo từ thép hình I hoặc H nhằm thuận tiện trong thi công.Kinh nghiệm chống nước chảy qua các rãnh khoá của cọc ván thép trong các công trình tạm thời này là sử dụng hỗn hợp xi măng trộn đất sét, vừa tiết kiệm chi phí lại đạt hiệu quả khá cao (gần như ngăn nước tuyệt đối)

Rõ ràng cọc ván thép không chỉ đơn thuần là một loại phương tiện phục vụ thi công các hố đào tạm thời mà còn có thể được xem như là một chủng loại vật liệu xây dựng được sử dụng vĩnh cữu trong một số công trình xây dựng Sản phẩm cọc ván thép được cung cấp trên thị trường cũng rất đa dạng về hình dáng, kích cỡ (bề rộng bản, độ cao, chiều dày) nên cũng khá thuận tiện cho việc chọn lựa một sản phẩm phù hợp Tất nhiên, ứng với một công trình

nước ngầm, giá thành, điều kiện thi công…Tuy nhiên một điều chắc chắc là nhà đầu tư càng có nhiều thêm cơ hội chọn lựa sao cho đạt được mục tiêu của mình

Dưới đây là một số hình ảnh ứng dụng của Cọc ván thép:

Hình 2.2: Tổng quan về ứng dụng Cọc ván thép[5]

Hình 2.3: Ứng dụng bảo vệ kè của tường vây cọc ván thép[5]

Hình 2.5: Ứng dụng gia cố đất đắp của tường vây cọc ván thép[5]

Hình 2.6: Ứng dụng cải tạo song ngòi của tường vây cọc ván thép[5]

2.2.1.1 Cọc ván thép đơn

- Cọc ván thép hình chữ U

Cọc ván thép chữ U là loại vật liệu quen thuộc và không thể thiếu đối với mọi kỹ sư và mọi nhà thầu.Nó được sử dụng rộng rãi trong các công trình vĩnh cữu và các công trình tạm như tường chắn, công trình phục vụ thi công

hố móng Loại này có trục trung hòa là đường thẳng đi qua mối nối của hai cọc ván thép

Hình 2.7 Cọc ván thép chữ U

- Cọc ván thép kiểu Sườn thẳng

Đây là loại cọc ván thép có cường độ bền kéo cực kỳ cao tại phần khóa nối

Bảng 2.2: Cường độ bền kéo của cọc ván thép kiểu sườn thẳng

*Góc xoay: Mỗi khóa nối cho phép một góc xoay nhất định

Hình 2.9 Góc xoay tại khóa nối của cọc ván thép kiểm sườn thẳng

- Cọc ván thép Ô vây:

Hình 2.11: Cọc ván thép kiểu chữ Z

2.2.1.2 Cọc ván thép đôi

- Có sẵn rất nhiều loại đặc trưng mặt cắt: Cọc ván thép cường độ cao được tổ hợp từ cọc ván thép kiểu “cái mũ” với cọc hình chữ H được tạo thành từ việc kết hợp một trong bốn kiểu cọc ván thép kiểu “cái mũ” với nhiều loại cọc hình chữ H khác nhau Thực tế đã tạo được hơn 200 kiểu đặc tính mặt cắt rất tinh tế (độ cứng mặt cắt cho mỗi m tường cừ: xấp xỉ từ 2.320cm3/m đến 19.970 cm3/m)

- Dễ dàng thi công: cọc ván thép cường độ cao được tổ hợp từ cọc ván thép kiểu “cái mũ” với cọc hình chữ H rất dễ gia công, chỉ bằng việc tổ hợp cọc ván thép kiểu “cái mũ” với cọc hình chữ H bằng đường hàn không liên tục Công tác hàn có thể tiến hành ở ngay tại công trường

- Hiệu quả chi phí rất tốt: xét trên quan điểm thiết kế cọc ván thép cường độ cao được tổ hợp từ cọc ván thép kiểu “cái mũ” với cọc hình chữ H, chức năng của cọc ván kiểu “cái mũ” sẽ như một tường cừ liên tục chắn đất và nước, còn cọc hình chữ H đóng vai trò là một thành phần kết cấu chịu mô men uốn Điều này giúp việc dùng cọc hình chữ H giá rẻ giảm được khối lượng từ 50% đến 70%, cũng như tránh phải sử dụng những liên kết đắc tiền để nối một cọc ván thép với một đơn nguyên

- Dễ dàng thi công: có thể dùng một búa rung thông thường để trực tiếp đóng cọc ván thép cường độ cao được tổ hợp từ cọc ván thép kiểu “cái mũ” với cọc hình chữ H này, có mô men quán tính trên mỗi cọc cao hơn cọc ván thép hình

chữ Z và các loại cọc ván khác, do vậy rất dễ dàng cho thi công

Hình 2.12: Cọc ván thép tổ hợp