Phòng ngừa sự cố do thi công công trình ngầm trong đô thị, kinh nghiệm trong và ngoài nước

Phòng ngừa sự cố,do thi công công trình ngầm, trong đô thị, kinh nghiệm trong và ngoài nước

BỘ XÂY DỰNG

HƯỚNG DẪN PHÒNG NGỪA SỰ CỐ

DO THI CÔNG HỐ ĐÀO ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH LÂN CẬN

Formatted: Left: 1.25", Right: 0.75", Top:

0.67", Bottom: 0.67"

Hà Nội - 2008 HƯỚNG DẪN PHÒNG NGỪA SỰ CỐ DO THI CÔNG HỐ ĐÀO

ĐỐI VỚI CÁC CÔNG TRÌNH LÂN CẬN CÔNG TRÌNH NGẦM

TRONG ĐÔ THỊ – KINH NGHIỆM TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

TS TRỊNH VIỆT CƯỜNG

Viện KHCN Xây dựng, Bộ Xây dựng

1 LỜI NÓIMỞ ĐẦU

Đào đất để thi công phần ngầm của nhà cao tầng và các dạng công trình ngầm khác

làm thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng và điều kiện địa chất thủy văn trong đất, do đó

thi công hố đào luôn gây ảnh hưởng đến khu vực xung quanh Tuy vậy mức độ ảnh hưởng có

thể được không chế trong phạm vi không gây hư hại các công trình lân cận bằng cách áp

dụng các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp với điều kiện cụ thể cuả từng công trình

Trong thời gian gần đây nhiều công trình thi công hố đào trong khu vực các đô thị ở

Việt Nam đã gây hư hại các công trình lân cận và trong một số trường hợp gây ra sự cố

nghiêm trọng Báo cáo này trình bày một số thông tin để tham khảo về những thành công và

sự cố ở một số công trình đã thi công trong thời gian gần đây

2 Bài học kinh nghiệm từ một số công trình thi công hố đào

2.1 Công trình 1 – Sự cố do sai sót trong thiết kế

Phía nam khu vực xây dựng tòa nhà văn phòng trên đường Lê Duẩn, Hà Nội giáp khu

vực nhà tạm cấp IV và ở phía đông giáp biệt thự xây dựng từ thời Pháp thuộc Các công trình

giáp khu vực xây dựng đều được đặt trên móng nông ở độ sâu khoảng 1 m Đất nền khu vực

xây dựng bao gồm lớp đất lấp dày khoảng 2 m, tiếp theo là lớp bùn sét yếu dày 10 m và dưới

đó là lớp sét dẻo cứng đến nửa cứng

Để thi công phần móng và tầng ngầm, thiết kế đã lựa chọn giải pháp dùng thép hình

để tạo tường cừ, sau đó đào toàn bộ diện tích mặt bằng đến độ sâu 2,6 m Theo tính tóan, cừ

thép không đủ khả năng chịu lực nếu làm việc theo sơ đồ công-sơn nên giải pháp bổ sung

thanh chống xiên đã được thiết kế đề xuất Phương án thiết kế phần nền móng bao gồm các

nội dung:

- Móng cọc tiết diện 25x25 cm, thi công bằng phương pháp ép Độ sâu ép cọc trung

bình bằng 14 m và cọc được bố trí thành từng cụm dưới chân cột;

- Tầng ngầm kết cấu BTCT sâu 2 m, đài móng dày 0.6 m;

Formatted: Font: VNI-Times, 15 pt, Italian (Italy) Formatted: Font: VNI-Times, 15 pt, Italian (Italy) Formatted: Font: 15 pt, Italian (Italy) Formatted: Centered, Space Before: 0.4 line Formatted Table

Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy), All caps Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy), All caps Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy) Formatted: Font: 12 pt

Formatted: Font: 12 pt Formatted: Indent: First line: 0", Space Before:

0.4 line

Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt, Bold Formatted: Font: 12 pt, Bold, Italic

Formatted: Indent: First line: 0.5", Space Before:

0.4 line

Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt, Bold, Italic

Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Font: 12 pt Formatted: Bullets and Numbering Formatted: Font: 12 pt

- Cừ thép U20 cm sâu 6 m, bố trí cách nhau 1.0 m, khoảng giữa các cừ ken ván gỗ

Dùng thép hình chống vào các thanh giằng và tựa vào các cọc ép để tăng cường

khả năng chịu tải ngang của cư (hình 1);

- Thi công bản đáy và tường tầng ngầm, sau đó rút cừ

Hình 1 Mặt bằng cơng trình 1

Công tác thẩm tra thiết kế đã được thực hiện trước khi thi công, trong đó đã phát hiện

có sai sót trong sơ đồ tính toán kết cấu tường cừ Thiết kế đã mô phỏng điểm tựa của thanh

chống trên đầu cọc như khớp cố định (hình 2) và điều này là không phù hợp với thực tế Để

có thể áp dụng mô hình tính toán nêu trên, cọc phải có đủ khả năng chịu tải trọng ngang và

chuyển vị của cọc phải nhỏ khi chịu tải Theo tính toán thẩm tra, thành phần lực ngang

truyền lên gối tựa bằng 15 T/điểm trong khi khả năng chịu tải trọng ngang của 1 cây cọc tiết

diện 25x25 cm chỉ bằng 3-4 T Trong điều kiện chịu tải như trên, chuyển vị của cọc rất lớn

khi chịu tải trọng ngang do thanh chống truyền xuống nên các thanh chống không phát huy

tác dụng như dự kiến trong thiết kế

Formatted: Font: 12 pt, Font color: Auto Formatted: Font: 12 pt

Hình 2 Sơ đồ tính toán tường cừ

Công tác thi công công trình đã được thực hiện theo thiết kế ban đầu Tường cừ ở khu

vực giáp biệt thự cũ đã bị xô nghiêng trong quá trình thi công hố đào và biệt thự bị nghiêng

gây hư hại nặng trên kết cấu Vì giải pháp sửa chữa biệt thự là không khả thi nên hạng mục

này đã bị đập bỏ để đảm bảo an toàn cho người và công trình

Sự cố xảy ra tại công trình này cho thấy sai sót trong việc lựa chọn sơ đồ tính toán khả

năng chịu lực của hệ thống chống đỡ hố đào có thể là nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng

của các công trình lân cận

2.2 Công trình 2 – Hư hỏng công trình lân cận do cừ không có kín

Công trình khách sạn có vốn đầu tư nước ngoài được xây dựng vào năm 1995 ở khu

vực Láng Hạ, Hà Nội Phía bắc của khu vực xây dựng là một khu nhà phân lô 4 tầng mới

được đưa vào sử dụng Các nhà phân lô được đặt trên móng nông ở độ sâu khoảng 1.5 m Đất

nền khu vực xây dựng bao gồm lớp đất lấp dày khoảng 2.5 m, tiếp theo các lớp sét dẻo mềm,

bùn sét yếu có bề dày lớn, lớp cát và lớp cuội sỏi

Công trình gồm 16 tầng, trong đó có 1 tầng ngầm Do tải trọng của công trình tương

đối lớn, giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính 1 m đã được lựa chọn Để thi công phần

móng và tầng ngầm, thiết kế đã lựa chọn giải pháp dùng cọc bê tông cốt thép thi công bằng

phương pháp ép để tạo tường cừ, sau đó đào toàn bộ diện tích mặt bằng đến độ sâu 3 m và

đào hố móng cục bộ để thi công đài móng Phương án thiết kế phần nền móng bao gồm các

nội dung:

- Cọc khoan nhồi sâu 45 m, mũi cọc tựa vào lớp cuội sỏi;

- Tầng ngầm kết cấu BTCT sâu 3 m, đài móng dày 2 m;

- Tường cừ cọc BTCT tiết diện 30x30 cm sâu 12 m, bố trí cách nhau 1.0 m, khoảng

giữa các cừ ken ván gỗ

Formatted: Centered, Indent: First line: 0.5",

Space Before: 0.4 line

Formatted: Bullets and Numbering

Formatted: Space Before: 0.4 line, Bulleted +

Level: 1 + Aligned at: 0.5" + Tab after: 0.75" + Indent at: 0.75"

Công tác thi công đào hố móng được thực hiện vào mùa mưa, vì vậy lượng nước mặt

chứa trong lớp đất lấp khá lớn Lượng nước này liên tục chảy vào trong hố móng với lưu

lượng hàng chục m3/giờ Do các ván gỗ ken giữa các cọc cừ không kín khít nên hạt mịn trong

lớp đất lấp bị cuốn trôi theo dòng chảy của nước Quan sát tại hiện trường phát hiện tại mặt

tiếp xúc giữa đất và ván cừ chỉ còn các hạt thô như gạch vụn và sỏi ở trạng thái rời rạc Hai

tháng sau khi đào hố móng đến độ sâu thiết kế, khối nhà liền kề giáp hố móng đã bị lún

nghiêng, đỉnh nhà bị ngả sang phía hố móng khoảng 40 cm Nguyên nhân của sự cố được xác

định là do cừ không có khả năng cách nước, do đó dòng chảy của nước vào hố đào đã cuốn

trôi hạt mịn trong lớp đất bên dưới móng nhà liền kề làm giảm khả năng chịu tải của đất nền

Giải pháp sử dụng tường cừ không có khả năng cách nước cũng là nguyên nhân dẫn

đến sự cố của công trình trong khu vực lân cận hố đào tại nhiều công trình khác ở Hà Nội và

TP Hồ Chí Minh Sự cố cũng xảy ra khi tường cừ có khuyết tật gây hiện tượng xói ngầm

trong đất

2.3 Công trình 3 – Hư hỏng công trình lân cận do rút cừ

Một Trung tâm thương mại 5 tầng trong đó có 1 tầng ngầm sâu 2 m được xây dựng

gần một ăng ten truyền thông cao 110 m tại thị xã Hà Đông Yêu cầu đặt ra đối với công tác

thi công là phải đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tháp ăng ten

Đất nền khu vực xây dựng bao gồm các lớp:

- Đất lấp, dày 0,70,8 m;

- Sét pha dẻo cứng, dày 2,23,6 m;

- Sét pha dẻo mềm, dày 1,11,6 m;

- Bùn sét pha dẻo chảy, dày 24 m;

- Cát hạt mịn đến hạt trung

Móng công trình được đặt trên cọc ép tiết diện 30x30 cm hạ đến lớp cát mịn gặp từ độ

sâu khoảng 30 m trở xuống Để giảm thiểu độ trồi do ép cọc, một số hàng cọc gần ăng ten

được khoan dẫn trước khi ép Việc xác định phạm vi cần khoan dẫn trước khi hạ cọc được

thực hiện bằng cách tính toán chuyển vị của đất nền do ép cọc theo lời giải của Baligh (1984)

cho bài toán mở rộng lỗ rỗng trong môi trường không nén co Để tăng độ an toàn cho ăng

ten, một hàng cừ Larsen sâu 12 m cũng đã được hạ từ trước khi ép cọc để ngăn cách khu vực

thi công với công trình lân cận (hình 3)

Formatted: Indent: First line: 0.5", Space Before:

0.4 line

Formatted: Font: 12 pt, Superscript

Formatted: Bullets and Numbering Formatted: Space Before: 0.4 line

Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy) Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy)

Hình 3 Mặt bằng công trình

Sau khi ép cọc, toàn bộ diện tích xây dựng được đào đến cao độ đáy tầng ngầm và

đào hố móng cục bộ để thi công đài cọc Nền và tường tầng ngầm được ghép cốp pha và đổ

bê tông tại chỗ

Trước khi tiến hành thu hồi cừ, khoảng trống giữa tường tầng ngầm và tường cừ

Larsen đã được lấp đầy bằng cát mịn Ngay sau khi nhổ cừ đã phát hiện một số vết nứt trên

nền đất dưới chân tháp ăng ten (hình 4), gây lo ngại về độ an toàn của công trình này

Nguyên nhân của hiện tượng nứt nền được xác định là do nhà thầu thi công đã không đầm

chặt lớp cát lấp, dẫn đến chuyển vị ngang của đất nền sau khi rút cừ Mặt khác quá trình rút

cừ cũng làm xáo động các lớp đất bên dưới đáy móng ăng ten Tuy vậy kết quả quan trắc độ

nghiêng của ăng ten ngay sau khi phát hiện các vết nứt trên nền cho thấy độ nghiêng của ăng

ten vẫn nằm trong giới hạn cho phép

Ảnh hưởng do rút cừ đối với công trình xung quanh cho thấy biện pháp rút cừ phải

được thực hiện sao cho áp lực ngang trong đất ít bị thay đổi nhất Để đạt được điều này thì

lớp vật liệu lấp khoảng trống giữa cừ và tường tầng ngầm (nếu có) phải được đầm chặt, đồng

thời biện pháp ngăn đất bám dính vào thân cừ bị kéo lên theo cừ cũng cần được áp dụng

Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy) Formatted: Indent: First line: 0.5", Space Before:

0.4 line

Formatted: Font: 12 pt, Italian (Italy)

Formatted: Font: 12 pt, Font color: Auto

Hình 4 Mặt cắt qua khu vực xây dựng và vị trí các vết nứt sau khi rút cừ

2.3 Công trình 4 – Thành công trong xây dựng công trình với 5 tầng ngầm

Tổ hợp văn phòng và căn hộ Pacific Place được xây dựng trên khuôn viên có diện tích

khoảng 5000 m2 tại 83B Lý Thường Kiệt, Hà Nội trong thời gian 2003-2005 Công trình gồm

18 tầng bên trên và 5 tầng ngầm (hình 5) Tính tới thời điểm được xâây dựng vào năm

2004-2005, đây là công trình có số tầng ngầm nhiều nhất ở Việt Nam Phía đông của công trình

tiếp giáp khách sạn Guoman với kết cấu đặt trên móng cọc Phía nam tiếp giáp khu nhà dân

có kết cấu rất yếu, trong đó có nhiều nhà xây đè lên hệ thống tường rào cũ của công trình

(hình 6) Phía bắc và phía tây của công trình giáp đường Lý Thường Kiệt và Phan Bội Châu

Theo kết quả khảo sát địa chất công trình, đất nền khu vực xây dựng gồm các lớp:

- Đất lấp, dày khoảng 2 m;

- Bùn sét, dày 2,2 m;

- Sét pha dẻo cứng và sét pha nửa cứng, dày khoảng 11 m;

- Các lớp cát phân bố đến độ sâu 35 m;

- Cát lẫn cuội sỏi, gặp từ 35 m trở xuống

Công trình được đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính 1,0-1,2 m hạ đến độ sâu

40-43 m Hêä thống tường trong đất bề dày 0,8 m sâu 23 m có chức năng bảo vệ thành hố đào

trong quá trình thi công và về lâu dài đây là tường bao của phần ngầm của công trình

Formatted: Centered, Indent: First line: 0.5",

Space Before: 0.4 line

Formatted: Font: 12 pt, Font color: Auto, English

(United States)

Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Font: 12 pt, English (United States) Formatted: Indent: First line: 0.5", Space Before:

0.4 line

Hình 5 Mặt cắt qua Pacific Place, Hà Nội

Một số biện pháp đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận ngay từ trước khi thi

công hệ thống tường trong đất, chủ đầu tư cùng với nhà thầu đã tiến hành gia cường móng

những công trình nhạy cảm nhất, đồng thời tạo ra một băng móng để giữ ổn định cho tường

dẫn hướng để thi công hệ tường trong đất Biện pháp gia cường móng đã áp dụng là ép cọc

thép hình (đường ray cũ) xuống dưới móng nhà cũ (hình 7), sau đó đặt thép và đổ bê tông

từng đọan của băng móng (hình 8) Việc thi công ép cọc có thể được thực hiện bằng thiết bị

sẵn có trên công trường như máy đào đất Do cọc thép hình là loại cọc chuyển dịch nhỏ (diện

tích tiết diện nhỏ nên ít chiếm chỗ trong đất), công tác đóng cọc không gây hư hại các công

trình xung quanh

Formatted: Centered, Indent: First line: 0.5",

Space Before: 0.4 line

Formatted: Font: 12 pt, Font color: Auto, English

(United States)

a) Phía đông (KS Guomman) b) Phía nam (nhà dân)

Hình 6 Hiện trạng phía đông và nam khu vực xây dựng

Hình 7 Ép cọc gia cường móng nhà lân cận

Formatted: Centered, Indent: First line: 0.5",

Space Before: 0.4 line

Formatted: Centered, Indent: First line: 0.5",

Space Before: 0.4 line

Hình 8 Thi công băng móng gia cố công trình lân cận

Sau khi thi công cọc khoan nhồi và hệ tường trong đất, việc đào đất được thực hiện theo phương pháp top-down Độ sâu đào cần thiết để thi công 5 tầng ngầm là 17 m, chỉ ít hơn độ sâu của tường trong đất khoảng 6 m Biện pháp đảm bảo an toàn cho hố đào đã được nghiên cứu ngay trong quá trình thiết kế, theo đó không đào đất ở phần diện tích giáp tường tầng ngầm thứ 5 nhằm tạo áp lực ngang để giữ ổn định của chân tường (hình 9)

Hình 9 Chi tiết mặt cắt qua các tầng ngầm

Công tác quan trắc địa kỹ thuật cũng được chú trọng thực hiện trong suốt quá trình thi công, đặc biệt là ở giai đọan thi công tầng ngầm thứ 4 và thứ 5 Một hệ thống quan trắc địa kỹ thuật, bao gồm quan trắc nước ngầm, chuyển vị ngang trong đất, độ nghiêng của các công trình lân cận và độ lún của nền đất xung quanh hố đào đã được lắp đặt và đưa vào họat động

Vị trí các điểm quan trắc chuyển vị ngang và độ lún của nền đất được thể hiện trên hình 10 Việc bố trí các điểm đo lún nền theo các tuyến cho phép xác định độ lún ảnh hưởng theo

khoảng cách đđến hố đào Kết quả quan trắc đlún bề mặt (hình 11) cho thấy độ lún tương đối nhỏ và có các đặc điểm:

- Ởû điểm đo gần hố đào nhất (M28), độ lún nền nhỏ hơn so với các điểm

ở xa hơn;

- Độ lún lớn nhất quan trắc được ở điểm M25, cách mép hố đào khoảng

20 m Khoảng cách này tương đương độ sâu đào đất

Kết quả quan trắc chuyển vị ngang cho thấy chuyển vị ngang trong đất ở mức tương đương giá trị của độ lún quan trắc được và độ nghiêng của các công trình lân cận rất nhỏ Chuyển vị ngang và độ lún quan trắc được tại công trình Pacific Place chỉ bằng khoảng 20-30% giá trị tính toán của thiết kế Việc phân tích nguyên nhân của sự chênh lệch nêu trên đòi hỏi thực hiện những thí nghiệm bổ sung để xác định một cách chính xác hơn ứng xử của đất nền Tuy vậy có thể nhận định là các tham số tính toán của đất nền được lấy theo kết quả thí nghiệm trong điều kiện biến dạng trung bình đến biến dạng lớn, do đó không phản ảnh đúng ứng xử của đất khi biến dạng nhỏ Theo các nghiên cứu ở ngoài nước, mô đun biến dạng của đất khi biến dạng nhỏ lớn hơn nhiều lần giá trị xác định được trong điều kiện biến dạng trung bình Vì vậy việc xác định các thông số để tính toán dự báo chuyển vị của đất nền cần được chuyên gia có kinh nghiệm thực hiện

Công tác thi công công trình Pacific Place có nhiều tầng ngầm cho thấy nếu áp dụng các biện pháp gia cố công trình lân cận cùng với biện pháp cừ hố đào an toàn và quan trắc địa kỹ thuật trong quá trình thi công đã cho phép giảm thiểu ảnh hưởng đối với các công trình lân cận

Hình 10 Sơ đồ bố trí quan trắc chuyền dịch ngang và lún nền