Đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô trong khai thác đào hố móng và thi công tầng hầm

TÊN ĐỀ TÀI: “ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO KHÔ TRONG KHAI ĐÀO HỐ MÓNG VÀ THI CÔNG TẦNG HẦM ” II.. - Đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phục vụ cho công tác khai đà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Đình Tứ

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : ĐÀO HỒNG HẢI

Ngày tháng năm sinh: 04 – 04 – 1978

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật

Phái: Nam Nơi sinh: Bình Phước MSHV: 10351036

I TÊN ĐỀ TÀI: “ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO

KHÔ TRONG KHAI ĐÀO HỐ MÓNG VÀ THI CÔNG TẦNG HẦM ”

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài

- Sử dụng phần mềm Aquifertest tính toán các thông số địa chất thủy văn bằng các

phương pháp khác nhau, nhận xét kết quả tính toán

- Sử dụng kết quả thí nghiệm địa chất thủy văn để tính toán hạ thấp mực nước theo

phương pháp truyền thống (tính toán bằng công thức toán học)

- Sử dụng phần mềm GMS 7.1và MODFLOW mô phỏng quá trình hạ thấp mực

nước ngầm, nhận xét về kết quả tính toán

- Đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phục vụ cho công tác khai đào hố

móng và thi công tầng hầm, kết hợp hệ thống quan trắc

- Áp dụng qui trình cho công trình khu cao ốc phức hợp Ngân Bình

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/07/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/12/2011

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN ĐÌNH TỨ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

“Không thầy đố mày làm nên”, đúng như câu tục ngữ ấy trong suốt một năm

rưỡi vừa qua tôi đã được các thầy cô của Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí nói chung và các thầy cô bộ môn Địa kỹ thuật nói riêng, đã tận tình hướng dẫn và giúp

đỡ tôi, không chỉ trong học tập và nghiên cứu mà còn giúp tôi rất nhiều trong định hướng công tác hiện tại và tương lai của mình Để bày tỏ lòng tri ân, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quí thầy cô trong Khoa và Bô môn

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Đình Tứ, người đã hướng

dẫn tôi trong suốt quá trình Đại học và cao học

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS.Nguyễn Việt Kỳ - Trưởng khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí; Thầy PGS.TS.Đậu Văn Ngọ, là những người thầy đã

truyền đạt cho tôi rất nhiều kiến thức trong học tập, nghiên cứu khoa học, cũng như trong công việc

Xin cảm ơn các anh chị em đồng nghiệp những người đã luôn giúp đỡ tôi trong công việc nghiên cứu này

Tôi cảm ơn gia đình tôi, những người thân nhất của tôi họ luôn ở bên tôi ủng

hộ, động viên, và giúp đỡ tôi trong cuộc sống này

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự cảm thông, chỉ bảo, và đóng góp của quí thầy cô, các anh chị đồng nghiệp cùng toàn thể bạn bè

Xin chân thành cảm ơn !

Học viên cao học Đào Hồng Hải

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong quá trình khai đào hố móng và thi công tầng hầm, công tác tháo khô hạ thấp mực nước dưới đất thường là nguyên nhân gây ra các hiện tượng bục đáy hố móng, cát chảy, lún mặt đất,…làm ảnh hưởng đến công trình đang thi công và các công trình lân cận, gây thiệt hại lớn về người và tài sản Để có biện pháp kiểm soát nước dưới đất hợp lý và hiệu quả cần phải có tài liệu hướng dẫn chi tiết Ở Việt Nam hiện nay có một số tác giả đã nghiên cứu về vấn đề này nhưng chưa đưa ra phương pháp cụ thể Vì vậy, việc đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phục

vụ trong công tác khai đào hố móng và thi công tầng hầm là cần thiết và cấp bách Quy trình này hướng dẫn các bước khảo sát, đánh giá điều kiện địa chất địa chất công trình - địa chất thủy văn Thực hiện các thí nghiệm hiện trường tính toán các thông số địa chất thủy văn phục vụ cho thiết kế hệ thống tháo khô Sử dụng các phần mềm GMS và MODFLOW mô phỏng lại quá trình bơm hút để kiểm tra các số liệu đã tính toán Kết hợp thiết kế hệ thống quan trắc để đánh giá sự thay đổi mực nước dưới đất và sự dịch chuyển của tường chắn Học viên áp dụng quy trình trên phục vụ cho công trình khu cao ốc phức hợp Ngân Bình

MỤC LỤC

Nội dung Trang

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Tình hình nghiên cứu 1

2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước 1

2.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

III Mục tiêu của đề tài 3

IV Nhiệm vụ luận văn 3

V Phương pháp nghiên cứu 4

VI Nội dung nghiên cứu 4

VII.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

VIII Sản phẩm của luận văn 5

IX Điểm mới của luận văn 5

Chương 1 NHỮNG RỦI RO TRONG KHAI ĐÀO HỐ MÓNG VÀ THI CÔNG TẦNG HẦM 6

1.1 Lún đất xảy ra do tháo khô 6

1.2 Bục đáy hố móng (Upheaval) 11

1.3 Hiện tượng cát chảy (Sand boiling) 12

Chương 2 KIỂM SOÁT NƯỚC NGẦM TRONG KHAI ĐÀO HỐ MÓNG VÀ

THI CÔNG TẦNG HẦM 16

2.1 Các phương pháp áp dụng để kiểm soát nước ngầm 16

2.1.1 Hào hoặc rãnh thoát nước 17

2.1.2 Phương pháp giếng sâu 18

2.1.3 Phương pháp giếng điểm 21

2.2 Tính toán các thông số địa chất thủy văn 22

2.2.1 Phương pháp Theis (Đối với tầng chứa nước có áp) 22

2.2.2 Phương pháp Cooper – Jacob 25

2.2.2.1 Hạ thấp – thời gian (1946) 25

2.2.2.2 Hạ thấp – khoảng cách (1946) 25

2.2.2.3 Hạ thấp – thời gian – khoảng cách (1946) 26

2.2.3 Phương pháp Hantush – Jacob (1955) 27

2.2.4 Phương pháp Neuman (1975) 29

2.2.5 Phương pháp Moench (1993) 32

2.2.6 Phương pháp Moench dòng chảy trong đá nứt nẻ (1984) 35

2.2.7 Phương pháp Theis Giật cấp (1935) 39

2.2.8 Phương pháp Cooper – Jacob giật cấp (1946) 41

2.2.9 Phương pháp thí nghiệm phục hồi Theis ( có áp) 43

2.2.10Phương pháp Hantush – Bierchenk tổn thất giếng khoan 44

2.2.11Phương pháp Thí nghiệm tỷ lưu lượng 46

Chương 3 QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO KHÔ 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Khảo sát đặc điểm địa chất công trình và địa chất thủy văn 48

3.2.1 Điều kiện địa chất và đất đá 49

3.2.2 Đặc tính của nước dưới đất 50

3.2.3 Tính thấm của tầng chứa nước 51

3.2.4 Năng lượng 52

3.2.5 Dòng mặt 53

3.2.6 Phân tích dòng ngầm 53

3.2.7 Phân tích Tính toán lưu lượng và độ hạ thấp mực nước cho công trình 54

3.2.7.1 Khái quát chung 54

3.2.7.2 Các phương pháp tính toán lưu lượng và độ hạ thấp mực nước của các loại công trình tháo khô 54

3.2.7.3 Bán kính ảnh hưởng 63

3.2.8 Xây dựng lưới thấm 64

3.3 Lập phương án tháo khô 67

3.3.1 Lựa chọn các phương pháp bơm hút tháo khô 68

3.3.2 Xác định các thông số địa chất thủy văn 68

3.3.3 Xác định công suất của giếng bơm hút 68

3.3.4 Tính toán số lượng giếng cần thiết kế 70

3.3.5 Tính toán mức độ ảnh hưởng của việc hạ thấp mực nước 72

3.3.6 Lắp đặt hệ thống tháo khô và kiểm soát nước ngầm 73

3.3.6.1 Hệ thống giếng sâu 73

3.3.6.2 Hệ thống giếng điểm 74

3.3.7 Vận hành và kiểm soát các biểu hiện của hệ thống 75

3.3.7.1 Đối với giếng sâu 75

3.3.7.2 Đối với giếng điểm 76

3.4 Lưu đồ thiết kế hệ thống tháo khô 76

Chương 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC 78

4.1 Giới thiệu chung 78

4.2 Các sự cố thường xảy ra trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm

78

4.2.1 Sự cố do mật độ khảo sát địa chất không đủ 79

4.2.2 Sự cố do đất bị sụt lở hoặc bị sập ở thành hố đào 79

4.2.3 Sự cố do chất lượng tường vây không tốt 79

4.2.4 Hiện tượng bục đáy hố đào 80

4.2.5 Sự cố do ảnh hưởng của tai biến địa chất 80

4.3 Vai trò của quan trắc địa kỹ thuật 80

4.4 Mục tiêu và đối tượng quan trắc 80

4.4.1 Mục tiêu quan trắc 80

4.4.2 Đối tượng quan trắc 82

4.4.2.1 Sự dịch chuyển bao gồm 82

4.4.2.2 Đo các ứng suất và biến dạng gồm 82

4.4.2.3 Đo áp lực nước gồm có 82

4.5 Quy trình thiết kế hệ thống quan trắc 83

4.5.1 Khảo sát 83

4.5.1.1 Khảo sát địa kỹ thuật 84

4.5.1.2 Khảo sát các công trình hiện hữu lân cận khu vực thi công 86

4.5.2 Thu thập tài liệu về công trình 87

4.5.3 Lập kế hoạch - Phương án quan trắc 88

4.5.4 Các hạng mục của hệ thống quan trắc 90

4.5.4.1 Quan trắc ứng xử của môi trường địa chất : 90

4.5.4.2 Quan trắc ứng xử của hệ thống chống đỡ : 91

4.5.4.3 Quan trắc ứng xử của nhà và công trình lân cận : 91

4.5.5 Xác định vị trí lắp đặt các dụng cụ hoặc thiết bị quan trắc 91

4.5.6 Phân tích, dự đoán các giá trị của các thông số quan trắc 91

4.5.7 Lựa chọn quy cách lắp đặt các dụng cụ quan trắc 92

4.5.8 Đặt ra giá trị mức độ báo động và mức độ nguy hiểm 92

4.5.9 Xác định tần số đo của các dụng cụ đo 94

4.5.10Thiết kế và vận hành hệ thống quan trắc 95

Chương 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁO KHÔ CHO KHU CAO ỐC PHỨC HỢP NGÂN BÌNH 97

5.1 Mục đích và yêu cầu của chủ đầu tư 97

5.2 Đặc điềm ĐCTV khu vực TP.HCM 98

5.2.1 Các tầng chứa nước (TCN) 98

5.2.2 Chất lượng NDĐ cho mục tiêu sinh hoạt 98

5.2.3 Chất lượng NDĐ cho mục đích kỹ thuật 99

5.3 Khối lượng các công tác và biện pháp thi công 100

5.3.1 Công tác khoan thăm dò địa chất thủy văn 100

5.3.2 Công tác bơm 101

5.3.2.1 Công tác bơm rửa: 101

5.3.2.2 Bơm thí nghiệm chùm: 101

5.3.3 Công tác lấy và phân tích mẫu nước 102

5.4 Đặc điểm địa chất và địa chất thủy văn 102

5.4.1 Tầng sét và sét pha chứa nước rất kém 102

5.4.2 Tầng cát pha, cát chứa nước áp lực 104

5.4.3 Chất lượng nước: 105

5.5 Tính toán các thông số địa chất thủy văn 105

5.5.1 Theo tài liệu bơm hút thí nghiệm hiện trường 105

5.5.1.1 Theo phương pháp Cooper&Jacob I 105

5.5.1.2 Theo phương pháp Hantush 108

5.5.2 Theo tài liệu đo phục hồi 109

5.5.2.1 Theo phương pháp Theis & Jacob 109

5.6 Xác định lưu lượng cần bơm hút và bố trí sơ đồ hệ thống tháo khô 112

5.7 Lắp đặt các hạng mục tháo khô 115

5.8 Thiết kế hệ thống quan trắc cho công trình 116

5.9 Vận hành hệ thống tháo khô 118

5.10 Phân tích quá trình hạ thấp bằng phần mềm 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC a

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình Trang

Hình1.1: Xác định độ lún mặt đất xung quanh hố đào 6

Hình1.2: Quan hệ về độ lệch ngang và độ sâu hố đào giữa các loại tường trong đất sét cứng, đất cát 7

Hình1.3: Độ lún cực đại quan trắc được lân cận các hố đào 8

Hình1.4: Đánh giá lún mặt đất (a) cát, (b) sét cứng đến rất cứng, và (c) sét mềm và trung bình 8

Hình1.5: Ảnh hưởng của tháo khô trong hố đào: (a) Tháo khô trong hố đào, trên tầng không thấm; (b) tháo khô bên ngoài hố đào, bên trên tầng không thấm; (c) tháo khô trong tầng nước có áp bên dưới đới đào; (d) tháo khô trong tầng nước có áp trong đới đào; và (e) tháo khô trong tầng nước có áp bên dưới chân tường chắn 10

Hình1.6: Phân tích hiện tượng bục hố móng 12

Hình1.7: Ứng suất tổng, ứng suất có hiệu, và sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong đất cát 13

Hình1.8: Lưới thấm dưới chân tường chắn 15

Hình 2.1: Các điều kiện ứng dụng các phương pháp tháo khô khác nhau 17

Hình 2.2: Tháo khô bằng phương pháp đào hào, rãnh thoát nước 18

Hình 2.3: Tháo khô bằng phương pháp giếng sâu 19

Hình 2.4: Sơ đồ thiết kế một giếng bơm hút hoàn chỉnh 20

Hình 2.5: Tháo khô bằng phương pháp giếng điểm 21

Hình 2.6: Phương pháp theis 24

Hình 2.7: Phương pháp Neuman 30

Hình 2.8: Đồ thị hàm giếng theo thời gian 31

Hình 2.9: Sơ đồ thí nghiệm Moench 32

Hình 2.10: Hình minh họa cho sự tổn thất của giếng thí nghiệm 44

Hình 3.1 Sự không đồng nhất của các lớp đất đá 49

Hình 3.2 Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh trong tầng không áp có 1 đường

nguồn 55

Hình 3.3 Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh trong tầng nước có áp, với 1 nguồn cấp 56

Hình 3.4 Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh trong tầng chứa nước không áp, 2 nguồn cấp 57

Hình 3.5 Rãnh thoát nước không hoàn chỉnh giữa 2 nguồn cấp trong điều kiện nước có áp 58

Hình 3.6 Biểu đồ quan hệ giữa tỉ số W/D và hệ số λ 58

Hình 3.7 Hai rãnh thoát nước song song không hoàn chỉnh trong điều kiện nước không áp 59

Hình 3.8 Hai rãnh thoát nước song song, không hoàn chỉnh trong điều kiện nước có áp 60

Hình 3.9 Giếng đơn hoàn chỉnh tròng tầng: a) chứa nước không áp; b) trong tầng chứa nước có áp 61

Hình 3.10 Nhóm giếng hình tròn 62

Hình 3.11 Dòng chảy qua một tầng đất đồng nhất 65

Hình 3.12 Hiệu suất của công tác bơm hút 69

Hình 3.13 Bán kính ảnh hưởng của một giếng lớn 71

Hình 3.14 Các giếng bố trí trong một hố đào 72

Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống giếng điểm đặc trưng 74

Hình 3.16 Giếng điểm lắp đặt bằng phương pháp tự bơm phụt 75

Hình 3.17 Lưu đồ thiết kế và vận hành hệ thống tháo khô 77

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí các hạng mục quan trắc trong một hố đào 83

Hình 4.2 Lưu đồ kiểm soát hệ thống quan trắc 96

Hình 5.1 Vị trí công trình 97

Hình 5.2 Mặt bằng công trình và vị trí các giếng khoan ĐCTV 101

Hình 5.3 Sơ đồ bố trí kết cấu giếng khoan thí nghiệm ĐCTV 102

Hình 5.4 Biểu đồ bơm hút giếng trung tâm, tính theo Cooper&Jacob 1 106

Hình 5.5 Tính toán các thông số theo Cooper&Jacob I-Giếng QS 1 107

Hình 5.6 Tính toán các thông số ĐCTV theo Cooper&Jacob I-Giếng QS2 107

Hình 5.7 Biểu đồ bơm hút giếng trung tâm, tính theo Hantush-Giếng QS 1 108

Hình 5.8 Tính toán các thông số theo Hantush-Giếng QS 2 109

Hình 5.9 Tính toán các thông số ĐCTV theo phương pháp Theis&Jacob-đo phục hồi, giếng TT 110

Hình 5.10 Tính toán các thông số ĐCTV theo phương pháp Theis&Jacob-đo phục hồi, giếng QS1 110

Hình 5.11 Tính toán các thông số ĐCTV theo phương pháp Theis&Jacob-đo phục hồi, giếng QS1 111

Hình 5.12 Sơ đồ mặt bằng và độ sâu khai đào tầng hầm công trình 113

Hình 5.13 Kết cấu giếng bơm hút 114

Hình 5.14 Sơ đồ bố trí các giếng bơm hút 116

Hình 5.15 Mặt bằng bố trí các hạng mục quan trắc 117

Hình 5.16 Sơ đồ phễu hạ thấp mực nước với Q = 11627.5 m3/ngày 120

Hình 5.17 Mặt cắt phễu hạ thấp mực nước, Q = 11627.5 m3/ngày 120

Hình 5.18 Phễu hạ thấp mực nước tính theo phần mềm GMS 7.1 121

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Danh sách Trang

Bảng 3.1 Hệ số thấm của một số loại cát điển hình 51

Bảng 4.1 Các giá trị kiểm soát cho hệ thống quan trắc của công trình nhà cao

tầng có tầng hầm 92Bảng 4.2 Tần số quan trắc của hệ thống quan trắc trong thi công tầng hầm nhà

cao tầng 94Bảng 5.1: Bảng tổng hợp các thông số ĐCTV tính theo các phương pháp: 112Bảng 5.2: Bảng so sánh kết quả chạy mô hình và số liệu thiết kế 121

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình khảo sát các công trình đang khai đào hố móng và thi công tầng hầm

ở Việt Nam cho thấy các hiện tượng bục đáy hố móng, cát chảy, lún mặt đất thường xuyên xảy ra, và hầu hết trực tiếp hoặc gián tiếp đều liên quan đến việc kiểm soát nước dưới đất Hậu quả của các sự cố này ảnh hưởng đến công trình đang thi công

và các công trình lân cận, gây ra các thiệt hại lớn về người và tài sản Các hiện tượng đó có thể phát triển mạnh khi các nhà thầu chưa hiểu hết điều kiện địa chất công trình và điều kiện nước dưới đất trong khu vực thi công, hoặc thiếu kinh nghiệm trong thiết kế và vận hành hệ thống tháo khô công trình ngầm Vì vậy, để công tác thi công được thành công cần phải có một quy trình hướng dẫn chi tiết các bước thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống tháo khô

II Tình hình nghiên cứu

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tình hình nghiên cứu trong nước có một số công trình tiêu biểu sau đây:

1) Những rủi ro trong xây dựng công trình ngầm và yêu cầu quan trắc - quản lý của Nguyễn Bá Kế, đã nêu lên các rủi ro và sự chủ quan trong công tác quản

lý thi công, đưa ra một số hạng mục quan trắc trong quá trình thi công công trình ngầm, đưa ra bài học kinh nghiệm

2) Kiểm soát chặt chẽ nước dưới đất là biện pháp ngăn ngừa sự cố hố đào của Nguyễn Bá Kế, nêu vai trò của công tác kiểm soát nước dưới đất trong quá trình tháo khô hố móng xây dựng nhà cao tầng

3) Từ các sự cố công trình xây dựng có phần ngầm, những vấn đề đặt ra từ đầu

để phòng ngừa của Nguyễn Văn Hiệp, nêu lên một số vấn đề cần quan tâm trước khi thi công xây dựng công trình ngầm

4) Ảnh hưởng của việc đào hố móng và hạ mực nước ngầm của Trần Quang

Hộ, dừng lại ở việc nêu một số ảnh hưởng trong quá trình tháo khô hố móng 5) Những vấn đề địa kỹ thuật khi thiết kế về thi công đào hố móng sâu tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh của Đặng Hữu Diệp, dừng lại ở việc nêu lên các điều lưu ý về địa kỹ thuật của khu vực thành phố Hồ Chí Minh

6) Hạ mực nước ngầm trong xây dựng tầng hầm của Phạm Hồng Luân, tổng quát về các phương pháp hạ mực nước ngầm trong thi công xây dựng tầng hầm, dừng lại ở việc nêu lên một số biện pháp khả thi để xem xét khi xây dựng các tầng hầm sâu trên 3 tầng ở thành phố Hồ Chí Minh

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Một số công trình tiêu biểu sau:

1) Quy định tạm thời về quản lý công trình hố móng sâu của thành phố Thượng Hải của C.Y.Ou; J.T.Liao; W.L.Cheng, quy định về trình tự trong thi công và kiểm soát khi xây dựng công trình có hố móng đào sâu của thành phố Thượng Hải

2) Bài học kinh nghiệm về sự cố sập tường vây và giải pháp khắc phục công trình trạm xử lý nước thải tại Bangkok-Thái Lan

3) Sự cố công trình Highland Towers tại Malaysia của Khaw Aik Heng và Nguyễn Quốc Tuấn, nêu lên vai trò của công tác khảo sát tìm hiểu địa chất khu vực xây dựng là vô cùng quan trọng

4) Earth retention systems handbook của nhà xuất bản MC Graw Hill, nêu lên một số nguyên tắc trong thiết kế hệ thống quan trắc trong xây dựng hố đào 5) Deep excavation của Chang-Yu Ou đã đưa ra hệ thống qua trắc trong thi công hố đào sâu, nhưng vẫn chưa phân tích nguyên tắc lựa chọn cách bố trí các công cụ quan trắc

6) Excavations and foundations in soft soil của Hans-Georg Kempfert, Berhane Gebreselassie trình bày các nghiên cứu về quá trình khai đào hố móng và thi công tầng hầm, cũng như các sự cố gặp phải trong thi công

7) Deep Excavation của Malcolm Puller, trình bày khá chi tiết về quy trình khai đào các loại hố đào, đặc biệt rất quan tâm đến công tác kiểm soát quá trình tháo khô

8) Dewatering and Goundwater control của bộ hải quân của Mỹ, trình bày rất chi tiết về thiết kế và kiểm soát nước ngầm cho các công trình ngầm

III Mục tiêu của đề tài

Trước tầm quan trọng của công tác xử lý nước dưới đất trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm nhà cao tầng, cùng với tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước học viên đặt ra mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Lập quy trình thiết kế hệ thống tháo khô trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm trong các điều kiện địa chất thủy văn khác nhau

IV Nhiệm vụ luận văn

 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài

 Sử dụng phần mềm Aquifertest tính toán các thông số địa chất thủy văn bằng các phương pháp khác nhau, nhận xét kết quả tính toán

 Sử dụng kết quả thí nghiệm địa chất thủy văn để tính toán hạ thấp mực nước theo phương pháp truyền thống (tính toán bằng công thức toán học)

 Sử dụng phần mềm GMS 7.1và MODFLOW mô phỏng quá trình hạ thấp mực nước ngầm, nhận xét về kết quả tính toán

 Lập quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phục vụ cho công tác khai đào hố móng và thi công tầng hầm, kết hợp hệ thống quan trắc

 Thiết kế hệ thống tháo khô cho công trình khu cao ốc phức hợp Ngân Bình

V Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

 Tiến hành phân tích và xử lý số liệu

 Sử dụng một số phần mềm như: Aquifertest; GMS; MODFLOW để tính toán các thông số địa chất thủy văn, và tính toán hạ thấp mực nước trong quá trình thi công

 Áp dụng quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phù hợp cho một công trình khu cao ốc phức hợp Ngân Bình

VI Nội dung nghiên cứu

 Cơ sở lý thuyết tính toán trong quá trình thiết kế hệ thống tháo khô

 Tính toán các thông số địa chất thủy văn theo phần mềm Aquifertest

 Sử dụng kết quả thí nghiệm địa chất thủy văn để tính toán hạ thấp mực nước theo phương pháp truyền thống (tính toán bằng công thức toán học)

 Sử dụng phần mềm GMS 7.1 và MODFLOW 2.8 hạ thấp mực nước ngầm

 Quy trình thiết kế hệ thống quan trắc cho công trình

 Lập quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phục vụ cho công tác khai đào hố móng và thi công tầng hầm

VII Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

 Xác định các thông số ĐCTV bằng phần mềm Aquifertest

 Tính toán lưu lượng cần tháo khô bằng nhiều phương pháp để tìm ra mối quan hệ và khả năng áp dụng phần mềm GMS và MODFLOW mô phỏng công tác hạ thấp mực nước ngầm

 Đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô kết hợp lắp hệ thống quan trắc, phục vụ công tác khai đào hố móng và thi công tầng hầm

b) Ý nghĩa thực tiễn

 Đề xuất cho các cơ quan chức năng “Quy trình thiết kế hệ thống tháo khô

áp dụng cho các công trình nhà cao tầng có tầng hầm và các công trình ngầm cần tháo khô”

 Tăng tính an toàn khi thi công hạng mục tháo khô cho công trình ngầm

 Sử dụng phần mềm tính toán các thông số ĐCTV, và hạ thấp mực nước ngầm Rút ngắn thời gian và tăng tính khoa học

VIII Sản phẩm của luận văn

1 Quy trình thiết kế hệ thống tháo khô trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm

2 Bảng tổng hợp kết quả tính toán các thông số ĐCTV bằng phần mềm Aquifertset

3 Bảng so sánh kết quả độ hạ thấp mực nước bằng phần mềm GMS và MODFLOW với kết quả thiết kế

IX Điểm mới của luận văn

 Lần đầu tiên đề xuất quy trình thiết kế hệ thống tháo khô phục vụ quá trình khai đào hố móng và thi công tầng hầm

 Tính toán tháo khô bằng các phương pháp tính toán số học, mô phỏng trước công tác vận hành hệ thống bằng các phần mềm GMS và MODFLOW

Chương 1 NHỮNG RỦI RO TRONG KHAI ĐÀO HỐ MÓNG VÀ THI

CÔNG TẦNG HẦM

1.1 Lún đất xảy ra do tháo khô

Sự góp phần của tháo khô đến độ lún mặt đất là điều hiển nhiên Những loại đất sét thông thường có thể lún nhanh và rộng trong quá trình tháo khô hơn các loại đất sét cố kết cứng Schweiger và Breymann, 1994, nghiên cứu cho rằng có khoảng 75% sự lún đất tại bề mặt đã xảy ra trong quá trình hạ thấp mực nước ngầm trong các hố đào được chắn giữ bởi tường chắn trong đất trầm tích hồ mềm yếu ở Salzburg

Tuy nhiên, với sự phát triển của kỹ thuật thiết kế và xây dựng gần đây, các đơn vị thi công thường xuyên dùng tường cứng cũng như tường trong đất và tường cọc khoan nhồi làm hệ thống chắn giữ trong quá trình thi công, nên phạm vi lún đất nhìn chung đã giảm bớt Clough và O’Rourke 1990 đã cho thấy rằng trung bình

δv,max/h khoảng 0.15% (hình 1.3) và δh,max/h khoảng 0.2% (hình 1.2) Họ tạo ra sơ đồ

Độ sâu của hố đào h [m]

đường bao lún bề mặt đất để đánh giá sự phân bố độ lún bên cạch hố đào trong đất sét hạt mịn đến trung (hình 1.4) Theo hình này, dịch chuyển thẳng đứng có thể mở rộng từ cạnh sâu của một hố đào đến một khoảng cách gấp hai lần độ sâu của hố đào đối với đất sét mịn đến trung Trong biểu đồ của Peck (hình 1.1), sự ảnh hưởng

mở rộng càng xa từ 2 đến 4 lần độ sâu của hố đào trong đất rất mịn đến mịn Fujita,1994, cũng trích dẫn một báo cáo từ hố đào sâu 36.6 m trong tầng đất mịn ở Tokyo Duncan và Bentler 1998 đã tóm tắt biểu hiện của một hố đào trong đất sét mịn mềm đến cứng từ những năm 1960 và cho thấy rằng giá trị trung bình của

δv,max/h là 1.3% trong thời gian từ năm 1962 -1975, đến khoảng thời gian những năm 1990-1998 δv,max/h khoảng 0.4% Uchida và nnk, 1993, cho rằng độ lún tối đa bằng 0.08% độ sâu của hố đào

Hình1.2: Quan hệ về độ lệch ngang và độ sâu hố đào giữa các loại tường trong

đất sét cứng, đất cát (Clough and O’Rourke 1990)

Tháo khô hố đào với mục đích làm khô đáy hố đào để thuận tiện trong quá trình thi công Khi chúng ta hạ thấp mực nước ngầm sẽ làm giảm áp lực nước lỗ rỗng và làm tăng ứng suất có hiệu của đất, đây chính là nguyên nhân gây lún mặt đất Trong đất cát ngoài lún đàn hồi còn có lún cố kết Thông thường độ lún đàn hồi nhỏ hơn rất nhiều so với lún cố kết nên có thể bỏ qua Cho nên khi bơm hạ mực nước nhất thiết phải quan tâm đến độ lún cố kết trong đất sét yếu

Hình1.3: Độ lún cực đại quan trắc được lân cận các hố đào (Clough and

O´Bourke 1990)

Hình1.4: Clough và O’Rourke đánh giá lún mặt đất (a) cát, (b) sét cứng đến rất

cứng, và (c) sét mềm và trung bình

Để xác định lún cố kết xảy ra do quá trình bơm chúng ta có thể sử dụng lý thuyết cố kết một trục của Terzaghi như sau:

Đối với đất sét cố kết bình thường :

' 0

' 0 0

log

v c

, 0 , 0

log1

log

v c

v

p s

e

H C

Cc: Chỉ số nén lún, có thể lấy được từ thí nghiệm nén cố kết

Cs: Chỉ số trương nở, lấy từ thí nghiệm nén cố kết

σ'vo: Ứng suất có hiệu theo phương đứng của lớp phủ bên trên đất sét, kN/m2 σ’p : Ứng suất tiền cố kết, kN/m2

Δσ : Gia số của ứng suất có hiệu theo phương đứng gây ra do quá trình bơm hút, kN/m2

Hình1.5: Ảnh hưởng của tháo khô trong hố đào: (a) Tháo khô trong hố đào, trên

tầng không thấm; (b) tháo khô bên ngoài hố đào, bên trên tầng không thấm; (c) tháo khô trong tầng nước có áp bên dưới đới đào; (d) tháo khô trong tầng nước

có áp trong đới đào; và (e) tháo khô trong tầng nước có áp bên dưới chân tường

chắn

Khi bơm hút sẽ gây lún liên quan đến các vị trí của các giếng bơm hút, độ sâu

và độ hạ mực nước Hình 1.5a trình bày trường hợp hạ mực nước ngầm bên trong

hố đào nhưng không hạ mực nước bên ngoài đới đào Vì vậy ứng suất có hiệu bên ngoài đới đào không đổi, cho nên không có lún cố kết hay lún đàn hồi Hình 1.5b, trình bày hạ mực nước dùng các giếng bên ngoài đới đào, nên mực nước bên ngoài

hạ làm tăng ứng suất có hiệu của đất, từ đó làm gia tăng độ lún đàn hồi và độ lún cố kết Hình 1.5c, là kết quả bơm hút trong tầng nước có áp bên dưới chân tường chắn Mặc dù bơm không tác động đến mực nước ngầm bên trên, tuy nhiên nó vẫn gây lún cố kết cho tầng đất sét bên trên…

Theo lý thuyết, phạm vi ảnh hưởng của lún mặt đất do tháo khô dựa vào đường hạ thấp mực nước trong quá trình bơm hút Vì vậy, chúng ta cần xác định độ lún cho phép với điều kiện δv = δa ( δa là độ lún cho phép xác định theo phần độ lún cho phép của các công trình lân cận)

1.2 Bục đáy hố móng (Upheaval)

Khi bên dưới đáy hố đào tồn tại một tầng nước có áp ( giàu nước) nằm dưới tầng cách nước, thì tầng cách nước này có xu hướng bị nâng lên do áp lực nước của tầng có áp, hiện tượng này gọi là bục đáy hố đào (hố móng) Để thi công được thuận lợi trong trường hợp này cần xác định hệ số an toàn, xem hình 1.6, hệ số an toàn được tính theo công thức sau:

w w

i ti i up

H

h F

Fup: Hệ số an toàn chống hiện tượng bục đáy hố móng

ti: Trọng lượng thể tích của mỗi tầng bên trên tầng nước có áp

Hw: Chiều cao cột áp lực, m

w: trọng lượng thể tích của nước có áp,

Hệ số an toàn chống lại hiện tượng bục đáy hố đào phải lớn hơn hoặc bằng 1.2

Để bảo vệ hố đào được an toàn trong quá trình thi công cần phải phân tích khả năng bục đáy tại mỗi cấp đào

1.3 Hiện tƣợng cát chảy (Sand boiling)

Theo hình 1.7, có sự tồn tại một dòng nước chảy qua lớp cát Ứng suất tổng , tại độ sâu z (điểm C) sẽ được tính theo công thức:

Áp lực của nước tại điểm A và B lần lượt là H1w và (H1H2 h)w Giả định

áp lực giữa 2 điểm A và B phân bố thành 1 đường thẳng, khi đó áp lực tại điểm C sẽ là:

w

z H

h z H

H

h z H z

1 '

H

hz

2 ' 2

w w

H

h z

z H h

i



' 2

2)/(

Khi tỉ trọng Gs của đất xấp xỉ 2.65 và hệ số rỗng của nó nằm trong khoảng từ 0.57 đến 0.95, thì gradient thủy lực tới hạn gần bằng 1.0 theo phương trình trên

Xem hình 1.8, khi thic công hố đào có hệ thống tường chắn nước khi gradient thủy lực đạt đến giá trị gần bằng gradient thủy lực tới hạn, hiện tượng cát chảy sẽ xảy ra Theo Harza (1935) hệ số an toàn của hiện tượng này được tính bằng công thức:

Trong đó imax là gradient tại điểm thấm xuyên, nhận được từ phương pháp lập mạng lưới dòng thấm Hệ số an toàn nằm trong khoảng từ 1.5 đến 2 là chấp nhận được

A

Tầng cách nước

Khu vực cát chảy Tường chắn

Hp

Hw

Chương 2 KIỂM SOÁT NƯỚC NGẦM TRONG KHAI ĐÀO HỐ MÓNG

VÀ THI CÔNG TẦNG HẦM

2.1 Các phương pháp áp dụng để kiểm soát nước ngầm

Áp dụng các phương pháp tháo khô nhằm mục đích:

a) Ngăn chặn nước mặt chảy vào hố đào thông qua các hệ thống hào rãnh, những bức tường thấp, hoặc các bệ, đê chắn nước bên ngoài hố đào

b) Giảm áp lực đáy hố móng trong thi công tầng hầm

c) Có thể cho phép nước mặt chảy vào hố đào sau đó chúng ta sử dụng các

hố thoát nước, mương rãnh thoát nước, hoặc hệ thống thấm lọc

d) Thoát nước dưới đất bằng cách hạ thấp mực nước ngầm trong hố đào Ví dụ: dùng phương pháp giếng điểm hoặc phương pháp giếng sâu

e) Chặn dòng ngầm chảy vào hố đào bằng các loại tường chắn trong đất ví dụ: tường vữa xi măng-bentonite…

Trong khai đào hố móng và thi công tầng hầm nhìn chung các phương pháp phổ biến thường được sử dụng bao gồm:

1) Dùng hào hoặc rãnh thoát nước để tháo khô;

2) Phương pháp giếng sâu;

3) Phương pháp giếng điểm

Trong hình 2.1 đã mô tả điều kiện áp dụng các phương pháp trên

Các kiểu đất Kích thước hạt

trung bình (mm)

Hệ số thấm (m/s)

Độ sâu tháo khô phù hợp 4m 8m 12m 16m 24m 28m

tháo khô

Quinion và Quinion, 1987)

2.1.1 Hào hoặc rãnh thoát nước

Phương pháp này dùng để thu gom nước chảy vào hố đào bằng các rãnh đặt tại đáy các hố đào, có thể bằng trọng lực của dòng nước dưới đất hoặc các dụng cụ thiên nhiên, và cũng có thể sử dụng máy bơm để bơm nước từ các rãnh này ra ngoài Nếu hố đào lớn ta có thể thi công các hào để thu gom nước từ các cạnh của

hố đào Nói chung, sử dụng hào hay rãnh thu gom nước đều là các phương pháp thoát nước trọng lực

Các rãnh và các hào được đào gần các tường chắn của tầng hầm, ngay bên dưới bề mặt đang đào Một rãnh đào thông thường có độ sâu từ 0.6 đến 1m, xem hình 2.2

Phương pháp này ít tốn kém nhất cho nên thường sử dụng trong tháo khô Tuy nhiên, nó chỉ sử dụng có hiệu quả trong các tầng thấm nước tốt như cuội sỏi, sạn cát…với độ sâu đào nông, nếu hố đào sâu sẽ dễ xảy ra hiện tượng cát chảy (sand boiling)

2.1.2 Phương pháp giếng sâu

Hình 2.3 sơ đồ mô tả hệ thống giếng sâu, thông thường các giếng được bố trí gần trong hoặc ngoài gần phạm vi hố đào Phương pháp này còn gọi là phương pháp thoát nước trọng lực

Đường kính các giếng sâu khoảng từ 150 đến 200mm (6-8 in) Nếu mục đích tháo khô nhằm giữ đáy hố đào luôn khô ráo thì đáy giếng sâu phải thấp hơn từ 2 – 5m bên dưới mặt đáy hố đào và không thấp hơn chân tường chắn Các giếng được

bố trí quanh khu vực lân cận hố đào Các loại máy bơm sử dụng có thể là bơm hỏa tiễn hoặc bơm điện chìm Để sử dụng các loại máy bơm một cách hợp lý chúng ta

cần phải quan tâm đến thủ tục, thiết kế, và ứng dụng của các loại máy bơm khác nhau

Hình 2.3: Tháo khô bằng phương pháp giếng sâu

Hình 2.4 trình bày sơ đồ kết cấu của một giếng sâu Hình minh họa cho thấy độ sâu thiết kế của giếng, cách lắp đặt ống chống ( ví dụ ống nhựa PVC) và lưới bảo vệ

sự xâm nhập của cát và lớp lọc giữa thành giếng và ống chống sau khi thi công xong phần lọc thì chúng ta phải tiến hành thổi rửa giếng để rửa sạch mùn sinh ra trong quá trình khoan để tránh mùn khoan bám vào hệ thống lọc, vì mùn sẽ làm giảm khả năng thấm của giếng

Sạn sỏi phải được làm từ các vật liệu có độ hạt thích hợp để ngăn chặn các hạt đất chảy vào giếng Mặc khác, Lớp lọc phải có lỗ rỗng đủ lớn để giữ cho hệ số thấm tốt Vì vậy JSA (1988) đề xuất lớp lọc thỏa các tiêu chuẩn sau:

 Tiêu chuẩn bảo đảm hạt đất không chảy vào lớp sạn sỏi:

Tháo khô Tháo khô

Ống chống

Bơm Tường chắn

)(

85

ground D

filter D

(2.1)

 Tiêu chuẩn đảm bảo vật liệu lọc có hệ số thấm tốt:

5

)(

)(

15

ground D

filter D

(2.2)

 Tiêu chuẩn đảm bảo vật liệu lọc không chảy vào lưới:

2)(

)(

diameter sreen

D

filter D

(2.3)

Lớp sạn sỏi ống lọc

ống chống

Sét bentonite Nắp bảo vệ

Lớp vữa xi măng

2.1.3 Phương pháp giếng điểm

Phương pháp giếng điểm cũng được gọi là phương pháp các điểm giếng thu gom Đây là phương pháp lắp các giếng thu nước tại nhiều vị trí khác nhau và được nối lại giếng bơm hút Có thể bố trí theo đường thẳng hoặc hình chữ nhật, khoảng cách các giếng thu gom từ 0.8 – 2.0m được mô tả như hình 2.5 Các giếng thu gom này thường được đặt lân cận khu vực đào, thường sâu khoảng 1m, đường kính ống khoảng 5 – 7cm, có nhiều nơi nhỏ hơn Khoảng không giữa ống lọc và thành giếng được lấp đầy bằng sạn sỏi, phía trên trám bằng betonite để tăng khả năng thu gom

và hiệu quả của giếng

ống thoát nước Ống thu gom

Bộ phận lọc Sạn sỏi Đường hạ thấp mực nước

2.2 Tính toán các thông số địa chất thủy văn [17]

Có thể tính toán các thông số thủy văn bằng các phương pháp thí nghiệm hiện trường như: thí nghiệm bơm hút nước; thí nghiệm ép nước; thí nghiệm đổ nước,…

Tùy theo kết cấu giếng và loại tầng chứa chúng ta sẽ có các công thức khác nhau để tính toán Trong luận văn này tác giả sử dụng phần mềm Aquifertest để xác định các thông số địa chất thủy văn trong thí nghiệm bơm hút nước đang được sử dụng phổ biến hiện nay ở Việt Nam

Phần mềm này có 3 hình thức khác nhau để diễn tả số liệu thí nghiệm :

 Mực nước theo thời gian;

 Lưu lượng theo thời gian;

 Lưu lượng theo mực nước

Trong thí nghiệm bơm hút hiện trường có 2 loại thí nghiệm đó là: bơm giật cấp và bơm với lưu lượng không đổi Mục đích chính của thí nghiệm bơm giật cấp

là xác định công suất của giếng, còn thí nghiệm với lưu lượng không đổi giúp ta tính toán các thông số địa chất thủy văn dùng thiết kế các công trình tháo khô Bao gồm các phương pháp sau:

2.2.1 Phương pháp Theis (Đối với tầng chứa nước có áp)

Dựa theo phương trình vi phân mô tả dòng chảy bão hòa 2 chiều trong tầng chứa nước có áp

(2.4)

Theis (1935) đã tìm ra lời giải như sau:

(2.5)

Kết quả thí nghiệm bơm hút cho phép ta xác định hệ số truyền mực nước và hệ

số nhả nước của tầng chứa nước có áp, chúng ta có phương trình sau:

(2.9)

t cons T

S u

gọi là đường cong dữ liệu Phân tích tài liệu được thực hiện bằng cách chồng khớp các đường cong lại với nhau

Phương pháp này thích hợp cho các điều kiện được chỉ ra trong hình sau:

t cons T

Q u

W

log    

Hình 2.6: Phương pháp theis

Lời giải Theis sử dụng các giả thiết sau:

- Tầng chứa nước có áp, qui mô vô hạn

- Tầng chứa nước đồng nhất, đẳng hướng, chiều dày ổn định trên toàn vùng bị ảnh hưởng bởi bơm

- Bề mặt áp lực nằm ngang trước khi bơm

- Lỗ khoan được bơm với lưu lượng không đổi

- Nước lấy ra từ lượng tàng trữ và thoát ngay lập tức với giảm mực nước

- Đường kính lỗ khoan nhỏ vì thế bỏ qua hệ số tích chứa của giếng khoan

Số liệu cần thiết:

- Mực nước hạ thấp theo thời gian tại lỗ khoan quan sát

- Khoảng cách từ lỗ khoan quan sát tới lỗ khoan bơm

- Lưu lượng bơm