BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI BỘ MÔN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THN BÀI GIẢNG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM ĐÔ THN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ Biên soạn: Ths Nguyễn Trường Huy TS Nghiêm Mạnh Hiến HÀ NỘI, 2009 Chương CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO VÀ MÔI TRƯỜNG 1.1 VN TRÍ CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Phương pháp đào mở phương pháp hay dùng để thi công loại công trình ngầm đặt nông (giới hạn phạm vi 5-15m, có đến 20m từ cốt mặt đất) hố đào từ mặt đất, sau lấp đất lại (cut - and - cover construction) Các đường vượt ngầm ngắn, hệ thống côlectơ để đặt mạng lưới kĩ thuật đô thị (cáp điện động lực, cáp thông tin, ống cấp khí đốt, ống cấp thoát nước ) gara ôtô nhiều tầng ngầm, đường ga tàu điện nông, công trình văn hóa giải trí, kho thực phNm mương ống công nghệ công nghiệp thường thi công hố/hào lộ thiên - đào mở Theo [1], tổng kết việc xây dựng tàu điện ngầm N ga tử 1965 đến 1995 phương pháp đào mở chiếm tỉ lệ đáng kể tăng từ 39% (25,3km/63,7km) năm 1965 - 1970 lên 63%(84,3km/141,6km) năm 1991-1995 (xem hình 1.1) Sự tăng trưởng giải thích công nghệ thi công đào mở phát triển nhanh khả cNu nâng lớn lắp đốt công trình ngầm đúc sẵn Hình 1.1 Tỷ lệ độ dài tuyến đường tàu điện ngầm đặt sâu nông(màu xanh) Trong nhiều đô thị nước SN G, nơi việc xây dựng tàu điện ngầm bắt đầu chưa lâu, người ta đặt tuyến nông Tasken, Minxk, N ôvôxibirxk, N ifni, N ovgorod, Xamara, Omxk Tình nhận thấy nhiều nước giới N gay thành phố lớn N hật (Tokyo, Osaka ) hệ thống tàu điện ngầm dùng phương pháp đào mở, làm nắp (sàn mái hầm) để giải việc giao thông thông suốt mặt đất tiếp tục đào nắp theo đại lộ lớn đô thị Công nghệ thi công công trình ngầm (CTN ) hố đào mở trình bày hình 1.2 N hững ưu việt phương pháp đào mở (cũng nhược điểm, hạn chế phương pháp này) hệ thống lại thấy lợi ích kinh tế- kỹ thuật bật phương pháp đào mở Riêng tàu điện ngầm, theo [1] rằng: - Do độ sâu ga không lớn nên tiết kiệm thời gian lại hành khách từ lối vào tới bến đỗ, tăng nhanh tốc độ thông thoát hành khách từ bến đỗ lên mặt đất; Giá thành xây dựng tuyến đặt nông điều kiện địa chất thủy văn thuận lợi rẻ lần so với tuyến đào ngầm, chi phí khai thác tính cho 1km tuyến hơn; - - Có khả sử dụng máy móc thiết bị có suất cao, áp dụng rộng rãi kết cấu lắp ghép khối lớn bê tông, toàn khối hóa chúng cách sử dụng thiết bị lắp đặt bê tông đại, cốp pha tự hành, khung khối cốt thép sản xuất từ nhà máy cho phép tăng nhanh tiến độ xây dựng so với phương pháp đào ngầm; Về mặt tính toán công trình ngầm thi công hố đào mở đơn giản hơn, sơ đồ tính toán gần với thực tế công trình hơn, vật liệu dùng để thi công dễ kiểm soát chất lượng so với thi công đào ngầm 1.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐÀO MỞ Để lựa chọn phương pháp thi công công trình ngầm theo phương pháp đào mở hay đào ngầm, ta cần phân tích kỹ yếu tố kinh tế - kỹ thuật môi trường thực dự án, cần nắm rõ ưu nhược hạn chế phương pháp để cân nhắc định Dưới trình bày ưu nhược phương pháp đào mở mà kinh nghiệm giới tổng kết Ưu điểm bật phương pháp đào mở sử dụng máy làm đất máy thi công khác với mức độ giới hóa cao, làm sát với tường công trình ngầm hữu, thi công chống thấm cho công trình ngầm đơn giản có chất lượng Theo [2] phương pháp đào mở có nhiều ưu việt công trình ngầm có diện tích lớn mặt không sâu thường chọn dùng điều kiện địa chất như: - Trong đất có đá lăn mồ côi hay sỏi sạn; Trong đất cát bão hòa nước đến độ sâu 6-7m; Trong đất có độ Nm tự nhiên đến độ sâu 10-11m; Trong đất sét bão hòa nước đến độ sâu 10-12m; Trong đất sét đến độ sâu 13-16m N hững kiến nghị có tính chất định hướng điều kiện cụ thể, dựa độ sâu tối ưu để dùng phương pháp hay phương pháp khác Với phương tiện giới đại việc đào vận chuyển đất cho phép thời gian ngắn đào sâu rộng Do đó, người ta chuyển từ phương pháp thi công đặc biệt (ví dụ giếng chìm đào ngầm) sang đào mở đất có độ Nm tự nhiên thấp Trong vùng xây (nơi chưa có công trình xây dựng có quy hoạch ổn định) phương pháp đào mở phương pháp thích hợp làm loại công trình ngầm côlectơ, lối vượt ngầm, gara ôtô, tàu điện ngầm vv Phương pháp đào mở có nhược điểm hạn chế, thi công vùng đô thị có mật độ xây dựng dân cư đông đúc [2] ra: a) Chiếm đất nhiều, ồn dễ gây ách tắc giao thông Có thể hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt nói dùng phương pháp đào ngành mỏ cách làm tường vĩnh cửu công trình ngầm trước, làm nắp hầm đủ chắn để phương tiện giao thông lại công tác khác mặt đất thực nắp công trình ngầm b) Trong đất sét yếu đất bụi, việc đào hào bị hạn chế phải trì ổn định vách hố đáy hố, nên đòi hỏi phải thi công nhanh gấp c) Sự gò bó vạch tuyến phải bám theo đường phố hiệu hữu, đặc biệt bán kính cong nhỏ mở tuyến tàu điện ngầm Một số nơi hào đào lấn vào móng công trình hiệu hữu làm cho chịu lực biến dạng, nên phải gia cường chống đỡ thêm, gây tốn d) Tiến độ thi công giá thành phương pháp đào- lấp có nhiều việc phải làm thêm sai sót khảo sát điều tra đánh dấu chúng phát lúc đào, di dời phải đặt lại hệ thống kĩ thuật đô thị khai thác (cáp điện, thông tin, ống cấp thoát nước ) vấn đề phức tạp dễ kéo dài tiến độ thi công e) Chuyển vị đất lún công trình hữu Các phương pháp làm giảm đNy trồi đáy hay giảm lẹm thay đổi dòng chảy mực nước ngầm đặn đến trở ngại tiến độ thi công thay đổi giá thành Dùng neo đất, chống có lắp kích để căng chỉnh giải pháp có hiệu công trình nhạy lún công trình trình cũ lân cận hố đào f) Việc di dân để giải phóng mặt dành chỗ cho công trình cho sân bãi công trường xây dựng, tổ chức lại tuyến giao thông, ồn, chấn động, bụi thi công thường vấn đề xã hội- kinh tế khó giải nhanh gọn để công trình khởi công hạn 1.3 SỰ KẾT HỢP GIỮA ĐÀO MỞ VÀ ĐÀO NGẦM Đào ngầm để xây dựng công trình ngầm có nhiều ưu việt so với đào mở xây dựng vùng có mật độ công trình dày đặc (móng nhà cửa, hệ thống đường lưới kĩ thuật ngầm, đường sá giao thông chằng chịt v.v ) Do công nghệ đào phát triển không ngừng công cụ kiểm soát chất lượng thông qua tính toán quan trắc thực tế đạt đỉnh cao mà người ta hình thành số xu hướng thi công công trình ngầm [3] Theo xu hướng phương pháp thi công công trình ngầm từ xuống (topdown) thực phương pháp nửa mở nửa ngầm: Làm tường liên tục sàn mặt đất theo phương pháp mở tầng sàn (hay công trình ngầm) hào phía lắp phải thực phương pháp đào ngầm Ở Áo Đức gần phát triển phương pháp truyền thống nói (top - down) thành phương pháp - phi truyền thống để xây dựng công trình ngầm đặt nông đất ổn định có tên gọi “sàn khung cửa” (Doorfame slab Method) hay phương pháp kentner giáo sư Áo G.Sauner đề xuất (hình 1.3) Trình tự thi công gồm: đào hào (vách hào theo mái dốc nghiêng tường chắn), làm cọc khoan nhồi để đỡ vòm sàn, làm cốp pha gỗ thép đáy hào vừa đào, đặt thép đổ bê tông, chống thấm cho nắp sàn, thi công lớp bảo vệ lấp đất, khôi phục lại điều kiện bề mặt phía công trình ngầm, cuối đào đất phía nắp vòm phương pháp đào ngầm N ắp công trình ngầm nắp tạm thời nhằm giải vấn đề giao thông; sau thi công xong phần ngầm làm nắp vĩnh cửu (hình 1.4) Tùy theo tính chất đất kích thước tiết diện ngang công trình ngầm đào toàn gương đào bậc theo phương pháp N ATM, sau làm áo công trình ngầm Mặt khác, tình hình giới có nhiều thay đổi sâu sắc sau kết thúc chiến tranh lạnh nên xu hướng làm công trình ngầm đặt sâu cho mục đích phòng thủ dân (Civil defence) giảm đáng kể nên công trình ngầm đặt nông chiếm tỉ lệ ngày tăng dần 1.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO Công trình hố đào có nhiều đặc điểm khái quát lại gồm có: (1) Công trình hố đào loại công việc tạm thời, dự trữ an toàn tương đối nhỏ lại có liên quan đến tính địa phương, điều kiện địa chất vùng khác đặc điểm khác Công trình hố đào khoa học đan xen khoa học địa kỹ thuật, kết cấu kỹ thuật thi công; loại công trình mà hệ thống chịu ảnh hưởng đan xen nhiều nhân tố phức tạp ngành khoa học kỹ thuật tổng hợp chờ phát triển lý luận (2) Do hố đào loại công trình có giá thành cao, khối lượng công việc lớn thường trọng điểm cạnh tranh đơn vị thi công, lại kỹ thuật phức tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều nhân tố biến đổi, cố hay xảy ra, khâu khó mặt kỹ thuật, có tính tranh chấp công trình xây dựng, đồng thời trọng điểm để hạ thấp giá thành đảm bảo chất lượng công trình (3) Công trình hố đào phát triển theo xu hướng độ sâu lớn, diện tích rộng, có chiều dài chiều rộng đạt tới trăm mét, quy mô công trình ngày tăng lên (4) Theo đà phát triển cải tạo thành phố cũ, công trình cao tầng, siêu cao tầng chủ yếu thành phố lại thường tập trung khu đất nhỏ hẹp, mật độ xây dựng lớn, dân cư đông đúc, giao thông chen lấn, điều kiện để thi công công trình hố đào Lân cận công trình thường có công trình xây dựng vĩnh cửu, công trình lịch sử, nghệ thuật bắt buộc phải an toàn, đào có mái dốc, yêu cầu việc ổn định khống chế chuyển dịch nghiêm ngặt (5) Tính chất đất đá thường biến đổi khoảng rộng, điều kiện tiềm Nn rủi ro địa chất tính phức tạp, tính không đồng điều kiện địa chất thủy văn thường làm cho số liệu khảo sát có tính phân tán lớn, khó đại diện cho tình hình tổng thể tầng đất, nữa, tính xác tương đối thấp, tăng thêm khó khăn cho thiết kế thi công công trình hố đào (6) Đào hố điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao điều kiện trường phức tạp khác dễ sinh trượt lở khối đất, ổn định hố đào, thân cọc bị chuyển dịch vị trí, đáy hố trồi lên, kết cấu chắn giữ bị rò nước nghiêm trọng bị xói lở làm hư hại hố đào, uy hiếp nghiêm trọng công trình xây dựng, công trình ngầm đường ống xung quanh (7) Công trình hố đào bao gồm nhiều khâu có quan hệ chặt chẽ với chắn đất, chống giữ, ngăn nước, hạ mực nước, đào đất đó, khâu thất bại dẫn đến công trình bị đổ vỡ (8) Việc thi công hố đào trường lân cận đóng cọc, hạ nước ngầm, đào đất sinh ảnh hưởng khống chế lẫn nhau, tăng thêm nhân tố gây cố (9) Công trình hố đào có giá trị cao phần lớn lại có tính tạm thời nên thường không muốn đầu tư chi phí nhiều N hưng để xảy cố xử lí vô khó khăn, gây tổn thất lớn kinh tế ảnh hưởng nghiêm trọng mặt xã hội (10) Công trình hố đào có chu kỳ thi công dài, từ đào đất hoàn thành toàn công trình kín khuất ngầm mặt đất phải trải qua nhiều lần mưa to, nhiều lần chất tải, chấn động, thi công có sai phạm v.v tính ngẫu nhiên mức độ an toàn tương đối lớn, cố xảy đột biến 1.5 NHỮNG VẤN ĐỀ ĐNA KỸ THUẬT TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM CỦA THÀNH PHỐ Dù đào mở đào ngầm, vấn đề địa kỹ thuật có liên quan đến công trình ngầm hay gọi hậu địa kỹ thuật xây dựng công trình ngầm gây cần phải lường trước tìm biện pháp để kiểm soát khống chế hậu bất lợi cho đô thị nói riêng cho môi trường nói chung Theo giáo sư V.A Ilichev [4] vấn đề địa kỹ thuật phải ý giải quyết: - - - - 1.6 Vấn đề quan trọng trước đào thiết kế kết cấu chắn giữ thành hố.Thực tế chứng tỏ công nghệ thi công trình tự xây dựng có ảnh hưởng lớn đến trị số đặc trưng phân bố nội lực kết cấu chắn đất chuyển vị chúng Khi chọn kết cấu tường chắn thích hợp trình tự thi công đắn giảm thiểu nội lực chuyển vị tường Khi khảo sát đất theo tiêu chuNn hành cho phép dùng số hạn chết mô hình tính toán Ví dụ dùng mô hình đàn dẻo Morh - Coulomb cho điều kiện địa chất công trình Matxcova gần với kết quan trắc, sai số không vượt 20%, dùng mô hình MOMIS người Pháp cho tường đất cọc thép sai số đến 100% độ lún mặt đất 50% chuyển vị đỉnh tường N guyên nhân sai khác mô hình MOMIS dùng cho đất yếu, không phù hợp với đất Matxcova Dự báo biến dạng công trình quanh hố đào vấn đề thời điều kiện xây dựng có mật độ cao thành phố lớn Sự khác thiết kế công trình ngầm đặt nơi chật hẹp đô thị so với thiết kế nhà thông thường chỗ lựa chọn kết cấu phương pháp xây dựng công trình hữu quanh định Vì vậy, liệu dùng thiết kế biến dạng thêm giới hạn nhà có thời gian sử dụng lâu dài gần công trình ngầm Vấn đề quan trọng cuối xây dựng công trình ngầm cần tìm kiếm kết cấu có hiệu để bảo vệ nhà / công trình nằm vùng ảnh hưởng công trình ngầm phương pháp xây dựng chúng SỰ CỐ CỦA CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO Ở nước ta, chưa có tổng kết phân tích có hệ thống phương tiện thông tin đại chúng loan báo số cố lớn nhỏ thi công hố đào sập lở thành, hỏng hệ thống chắn giữ, gây lún nứt chí nghiêng sập công trình lân cận Một số ví dụ điển hình: * Công trình cao ốc có qui mô tầng lầu hai tầng hầm doanh nghiệp tư nhân hương liệu Trung Dũng (đường Ung Văn Khiêm, quận Bình Thạnh) làm chủ đầu tư Sự cố xảy công trình thi công tầng hầm thứ hai, làm sụp đổ mái nhà tạm xưởng Công ty TN HH thương mại - dịch vụ Bình Thiên (viết tắt Công ty Bình Thiên) Đồng thời khoét thành hàm ếch sâu 2m, khiến đoạn đường nội bị hư hỏng nặng Một số nhà xung quanh công trình xuất vết nứt Một trụ điện công trình cao ốc có nguy bị đổ Sự cố làm bể đường ống cấp nước, gây cúp nước cho khu vực nhiều liền Hình Đường nội bị khoét sâu hư hỏng nặng * Công trình Việt Tower 198B Tây Sơn Công ty TN HH liên doanh đầu tư tài Hòa Bình làm chủ đầu tư có 18 tầng mặt đất tầng hầm Theo tổ trưởng tổ dân phố 12B Trần Văn Từ, trình thi công tòa nhà cao tầng làm ảnh hưởng tới 34 hộ gia đình liền kề N hà bị rạn nứt, lún nghiêng, vết rạn nứt rộng hàng 10cm * Cao ốc Pacific gồm trệt, 20 lầu ba tầng hầm, trường nhận thấy công trình xây dựng tầng hầm thứ Hình trường sập phần tòa nhà Viện Khoa học xã hội vùng N am 10 Hình Công trường xây dựng cao ốc Pacific phần tòa nhà thuộc Viện Khoa học xã hội vùng N am (tại góc đường Pasteur - N guyễn Thị Minh Khai, Q.1, TP.HCM) bị sập lúc 19h35 ngày 9-10 * Trung tâm thương mại hộ Sài Gòn, số 11D Thi Sách (được cấp phép xây dựng tầng hầm, tầng 11 tầng lầu) Trong trình thi công gây ảnh hưởng đến tòa chung cư số N guyễn Siêu Kết kiểm định sáng 1.11, cho thấy chung cư số N guyễn Siêu dịch chuyển thêm từ 2-3cm Gian nhà đầu gian nhà cuối lệch từ 12-15cm Hình Chung cư N guyễn Siêu * Toà nhà BIDV TOWER (194 Trần Quang Khải) xây dựng với quy mô 25 tầng tầng hầm, với diện tích mặt sàn 26.343 m2 Sáng 6/6/2007, công trường xây dựng xảy cố sụt giàn giáo thi công tầng hầm Tại trường, hai dầm giăng ngang miệng hầm bị cong đổ nghiêng xuống Toàn gỗ kê giàn giáo đổ rơi gần hết xuống hầm 11 Ở Anh, năm từ 1973 -1980 phân tích cố nghiêm trọng hố đào sâu (hơn 6m nông hơn) thấy rằng: - Hố đào chắn giữ chiếm 63% trường hợp; - Hệ thống chắn giữ làm việc giới hạn: 20% trường hợp; - Chắn giữ không đầy đủ: 14% trường hợp; - Mất ổn định mái dốc đào mở: 3% trường hợp Hơn nữa, tổng kết cho thấy 1/3 cố nghiêm trọng thời kỳ xảy đất đắp nơi mà đất bị xáo trộn thi công đất Ở Trung Quốc [5] năm gần phân tích 160 cố hố đào cho thấy có vấn đề cần quan tâm (bảng 1.1) Bảng 1.1 Thống kê nguyên nhân gây cố hố đào TT N guyên nhân gây cố Số lần phát sinh Vấn đê thuộc quản lý Vấn đề thuộc khảo sát Vấn đề thuộc thiết kế Vấn đề thuộc thi công Vấn đề thuộc quan trắc 10 74 66 Tỷ lệ % tổng cố 3,5 46 41,5 Qua ta thấy sai lầm thuộc thiết kế chiếm 46% trường hợp thi công chiếm 41,5% trường hợp, đặc biệt ý có đến 30% trường hợp thi công đất yếu với mực nước ngầm cao gây tổn thất hàng triệu đến hàng trục triệu nhân dân tệ (tiền Trung Quốc), có thương vong người, làm chậm tiến độ thi công, tăng giá thành công trình, 12 ảnh hưởng xấu đến sinh hoạt bình thường nhân dân quanh vùng gây hậu không tốt mặt xã hội Qua cho ta thấy quan trọng việc khảo sát, thiết kế, thi công, quan trắc quản lý công trình chắn giữ hố đào sâu, để tránh cố phải đặc biệt ý khâu có tỉ trọng rủi ro cao 13 ... Theo [1] , tổng kết việc xây dựng tàu điện ngầm N ga tử 19 65 đến 19 95 phương pháp đào mở chiếm tỉ lệ đáng kể tăng từ 39% (25,3km/63,7km) năm 19 65 - 19 70 lên 63%(84,3km /14 1,6km) năm 19 91- 1995 (xem... đến độ sâu 6-7m; Trong đất có độ Nm tự nhiên đến độ sâu 10 -11 m; Trong đất sét bão hòa nước đến độ sâu 10 -12 m; Trong đất sét đến độ sâu 13 -16 m N hững kiến nghị có tính chất định hướng điều kiện... Pasteur - N guyễn Thị Minh Khai, Q .1, TP.HCM) bị sập lúc 19 h35 ngày 9 -10 * Trung tâm thương mại hộ Sài Gòn, số 11 D Thi Sách (được cấp phép xây dựng tầng hầm, tầng 11 tầng lầu) Trong trình thi công