Phương pháp thi công hở-các phương án và kinh nghiệm áp dụng

Ngày nay, trong thành phố, nhiều loại công trình ngầm được phát triển và xây dựng nhằm đáp ứng nhiều yêu cầu và mục tiêu sử dụng khác nhau (Hình 1.). Nói chung với các hệ thống công trình ngầm sẽ mang lại cho các thành phố nhứng hình ảnh và hiệu quả tốt về cảnh quan, môi trường, đồng thời tăng  quỹ đất cho các công trình kiến trúc trên mặt đất, phát huy được tiềm năng dồi dào của khoảng không gian ngầm, góp phần mang lại những hiệu quả kinh tế trước mắt và lâu dài.

Để xây dựng  hợp lý các công trình ngầm thành phố (cũng như các công trình ngầm khác), cho đến nay có khá nhiều phương pháp, phương thức, giải pháp được phát triển và áp dụng. Thông thường các phương pháp được phân thành hai nhóm là

Các phương pháp thi công ngầm và

Các phương pháp thi công lộ thiên

Cùng với các phương pháp hạ dần hay hạ đoạn (caisson) và phương pháp hạ chìm hay hầm dìm, phương pháp thi công hở thuộc vào nhóm các phương pháp thi công lộ thiên. Có thể nói rằng, trong những điều kiện thông thường, phương pháp hở được coi là phương pháp kinh tế nhất trong xây dựng các công trình ngầm cỡ lớn. Chẳng hạn hình dáng các công trình có thể kiến trúc phù hợp với các yêu cầu của kỹ thuật giao thông, trong đó các giải pháp tối ưu về liên kết  các hệ thống giao thông với đoạn đường chuyển giao ngắn, cũng như liên kết tốt giữa các điểm đi và đến. Chênh lệch về độ cao có thể bố trí ở mức nhỏ. Phương pháp thi công hở còn cho phép xây dựng các mặt bằng đi bộ rộng liên kết với các công trình thương mại, nhà hàng, công trình văn hóa và liên kết hợp lý với phương tiện giao thông trên mặt đất.

Tuy nhiên để áp dụng phương pháp thi công hở cần chú ý các điều kiện sau:

Để thi công cần thiết phải có mặt bằng tự do trên mặt đất vừa đủ, như tại các quảng trường, nút giao thông của các đường lớn,  chẳng hạn một sân ga tàu điện ngầm có chiều dài khoảng 120m, tàu tốc hành khoảng 210m;

Do thời gian thi công lâu và diện tích sử dụng lớn, nên gây ảnh hưởng lớn đến giao thông đi lại trên mặt đất. Do vậy nhất thiết phải chú ý đến các giải pháp giảm ảnh hưởng đến giao thông trên mặt đất ;

Phương pháp xây dựng này cần loại trừ các mối nguy hiểm đối với các công trình kiến trúc lân cận, chẳng hạn do gây lún sụt, dịch chuyển đất. Vì vậy khi độ sâu thi công lớn, chẳng hạn 25m, khoảng cách đến các công trình kiến trúc không xa thì nhất thiết phải áp dụng các biện pháp đặc biệt (tường cọc nhồi, tường hào nhồi -tường trong đất);

Với phương pháp thi công hở thì các tác động xấu đến môi trường sống, như tiếng ồn, bụi bẩn, ảnh hưởng đến việc đi lại, là khó tránh khỏi. Do vậy cần phải có các giải pháp hợp lý nhằm giảm thiểu các tác động này;

Trong nhiều trường hợp phải tính đến các điều kiện của công trình kiến trúc, nền đất và nước ngầm khi phải áp dụng lâu dài và trên diện rộng giải pháp hạ mực nước ngầm;

Phải tính đến các khả năng di dời, treo tạm các hệ thống cấp thoát nước, năng lượng…, để đảm bảo hoạt động bình thường, lâu dài.

Nhằm phát huy lợi ích kinh tế, khắc phục những hạn chế của phương pháp thi công hở, hàng loạt các giải pháp đã được phát triển và áp dụng có hiệu quả trên thế giới. Trong tham luận này sẽ hệ thống hóa các phương pháp thi công cũng như một giải pháp kỹ thuật đã và đang được sử dụng hiện nay.

1. Các giải pháp bảo vệ thành hố đào

Thi công hở là tiến hành đào hào từ trên mặt đất, xây dựng công trình và cuối cùng lại phủ đất hay vật liệu lên trên kết cấu công trình ngầm (cut-and-cover). Thông thường với phương pháp này kết cấu công trình ngầm có thể được xây dựng từ đáy hào (phương thức tường nền) hoặc trước tiên thi công tường và nóc của kết cấu công trình ngầm (phương thức tường nóc) và sau đó các công tác khác được tiến hành và hoàn thiện.

Tùy thuộc vào điều kiện mặt bằng thi công, hào để xây dựng kết cấu của công trình ngầm có thể có thể được thi công với thành hào nghiêng hoặc thẳng đứng. Nói chung trong thành phố phương án thành hào đứng thường là giải pháp tất yếu. Việc bảo vệ ổn định thành hào là rất quan trọng, liên quan đến ổn định của các công trình trên mặt đất cũng như đảm bảo các điều kiện thi công tiếp theo. Cũng tùy thuộc vào điều kiện đất nền, vào các công trình kiến trúc trên mặt đất cần được bảo vệ mà các kết cấu bảo vệ thành hào cũng đã được áp dụng rất đa dạng. Kết cấu bảo vệ thành hào có thể được thu hồi sau khi thi công kết cấu công trình ngầm nhưng cũng có thể được giữ lại làm một bộ phận quan trọng của kết cấu công trình ngầm.

Dựa vào dạng thành hào, yêu cầu bảo vệ có thể phân các kết cấu bảo vệ thành hào theo sơ đồ trên hình 2. Điều kiện và khẳ năng áp dụng của từng giải pháp cơ bản, kết hợp với các biện pháp neo chốt, gia cường, tăng cứng  được tổng hợp và đánh giá  trong bảng 1. Nói chung khi cần thiết phải bảo vệ các công trình kiến trúc thì các giải pháp tường trong đất như bằng cọc khoan nhồi, hoặc hào nhồi là những giải pháp đắt tiền, song hữu hiệu. Tường bằng cọc cừ được quen biết ở nước ta khá lâu và thường được thu hồi sau khi thi công. Tuy nhiên nhiều nước đã sử dụng thép đặc biệt làm ván cừ và sau khi thi công để lại tường cừ thành bộ phận bảo vệ cho kết cấu công trình ngầm. Lựa chọn và tính toán thiết kế các kết cấu bảo vệ thành hào nhất thiết phải chú ý đến điều kiện mặt bằng, điều kiện đất nền và đặc biệt là các công trình kiên trúc cần bảo vệ.

Phương thức thi công

Thành hào nghiêng

Bê tông phun

Tường cọc-ván

Tường cừ thép

Tường hào nhồi

Tường cọc khoan nhồi

sát nhau

giao cắt

Diện tích sử dụng

Rất nhiều

nhiều

ít

ít

ít

ít

ít

Khả năng nhận tải

thấp

trung bình

cao

cao

rất cao

rất cao

rất cao

Ổn định lâu dài

tạm thời

tạm thời

tạm thời

tạm thời

lâu dài

lâu dài

lâu dài

Mức độ kín nước

không

không

hạn chế

tốt

tốt

hạn chế

tốt

Gia cường tăng cứng

không được

không được

được

được

được

được

được

Khả năng neo chốt

không được

được

được

được

được

được

được

2. Các phương thức thi công

Nói chung có nhiều phương án hay phương thức thi công đã được phát triển, liên quan đến điều kiện địa chất, các công trình trên mặt đất và độ sâu thi công. Chú ý đến điều kiện địa chất thủy văn thực tế có thể gặp ba trường hợp sau

·         Hào thi công khi không có nước ngầm hoặc có thể hạ mực nước ngầm

·         Hào thi công khi có nước ngầm nhưng không thể hạ mực nước ngầm hoặc phải bảo vệ nguồn nước ngầm

·         Thi công hào trong điều kiện  có nước mặt (kênh dẫn nước, sông ngòi)

Trong trường hợp thứ nhất, thi công trong điều kiện không chịu ảnh hưởng của nước ngầm  có thể xem xét bốn phương án sau:

1)Hào được thi công vơi thành hào nghiêng (Hình 3.), được bảo vệ bằng lưới thép  và bê tông phun hoặc thép hình cũng như tấm bê tông cốt thép kết hợp neo hoặc kết hợp các loại kết cấu đó. Độ nghiêng hay độ dốc của thành hào phụ thuộc vào loại đất nền. Góc nghiêng thường nhỏ hơn 450 khi khối đất nền là đất rời hoặc dính kết yếu. Trong trường hợp đất dính cứng hoặc nửa cúng có thể để góc dốc đến 600 và trong trường hợp gặp đá rắn có thể để góc dốc đến 800.

2) Thành hào thẳng đứng và được chống  giữ bằng tường cọc ván, chiều rộng đáy hàochiều rộng công trình ngầm bằng chiều rộng ngoài của kết cấu công trình ngầm. Trong trường hợp này cần chú ý đến trình tự thi công do yêu cầu phải làm kín nước cho kết cấu công trình ngầm (Hình 4. a)).

3)Thành hào cũng được chống giữ bằng tường cọc ván, nhưng chiều rộng đáy hào bằng chiều rộng công trình ngầm +2x0,8m. Đương nhiên trong trường hợp này khối lượng đất đào và lấp phủ sau này sẽ tăng đáng kể. Tuy nhiên lớp phủ kín nước được phủ từ phía ngoài một cách dễ dàng (Hình 4.b)).      

Có hai phương thức thi công theo cách này cũng có thể chú ý đến, liên quan với giải pháp cắm cọc và gia cố khoảng cách giữa các cọc là

Cọc được cắm vào lỗ khoan. Neo tường chắn, không sử dụng kết cấu tăng cứng –văng;

Khoảng cách giữa các cọc cắm vào lỗ khoan được phủ bằng bê tông, sau này là bê tông phun.

4) Tường bảo vệ thành hào là tường từ cọc khoan nhồi hay hào nhồi. Bê tông tường được đổ đển mức đỉnh tường của kết cấu công trình ngầm. Tiếp đó đất được đào đến mức đỉnh tường, một lớp bê tông giữ sạch được đổ lên nền, cọc được cắm đến dưới đỉnh tường và sau đó đổ hoặc lắp ghép bê tông nóc hầm. Các công việc tiếp sau được thi công dưới sự bảo vệ của tường và nóc hầm (Hình 5). Phương án này thường được gọi là phương án tường nóc.

Trong điều kiện có nước ngầm, nhưng không thể hạ mực nước ngầm, hoặc nguồn nước ngầm cần được bảo vệ, có thể xem xét bốn phương án sau:

1)Hạ mực nước ngầm chỉ trong khu vực hào thi công, sau đó bơm nước và thi công kết cấu công trình ngầm, trong trường hợp này có thể sử dụng tường cọc cừ để bảo vệ thành hào và đồng thời làm kín nước. Đương nhiên tường cọc cừ có thể thu hồi hoặc để lại, tùy thuộc vào phương án lựa chọn.

2)Tường và nền được thi công kín nước, sau đó bơm nước và thi công kết cấu công trình ngầm. Ở đây có thể sử dụng tường bằng cọc cừ hoặc cọc khoan nhồi, hào nhồi, tùy theo độ cứng cần thiết, liên quan với việc chống lún sụt, bảo vệ công trình kiến trúc. Sau đó bê tông nền được đổ dưới nước. Kết cấu công trình ngầm sẽ được thi công trong điều kiện không có nước. Trong phương án này, cọc cừ có thể được thu hồi, còn tường bằng cọc khoan nhồi và hào nhồi sẽ trở thành một bộ phận của kết cấu cuối cùng.

3) Tường và nóc được thi công trước, kín nước, sau đó thi công tiếp tục đào trong chế độ sử dụng khí nén đẩy nước. Phương án này khá phức tạp, song được chú ý, nếu như cần lấp phủ nhanh trên mặt đất để hạn chế ách tách giao thông.

4) Sử dụng phương pháp hạ dần (caison)

Trường hợp gặp nước mặt phải chú ý đến khả năng phải áp dụng phương pháp hạ chìm. Tuy nhiên, trong điều kiện cho phép có thể xem xét phương án dắp đê quai, sử dụng cọc cừ, tạo kênh dẫn nước tạm và sau đó có thể lựa chọn phương án thi công thích hợp, tùy theo điều kiện địa chất và các yêu cầu cần phải được bảo vệ khác (Hình 6.).

3. Giải pháp khi thi công sát hoặc dưới các công trình kiến trúc

Trong thực tế, do đặc điểm của tuyến công trình ngầm có thể gặp hai trường hợp sau:

Công trình ngầm nằm sát công trình kiến trúc trên mặt đất, không cho phép thi công tường bảo vệ thành hào, khi đó cần thiết phải tiến hành thi công kết cấu đón đỡ. Kết cấu này cũng đồng thời là tường của thành hào;

Một phần hay toàn bộ công trình ngầm nằm dưới công trình kiến trúc trên mặt. Trong trường hợp này phần của công trình kiến trúc cần được đón đỡ bằng kết cấu dạng khung. Như vậy kết cấu đón đỡ có thể trực tiếp là tường, nóc của công trình ngầm hoặc kết cấu công trình ngầm được thi công dưới sự bảo vệ của kết cấu này.

Có nhiều dạng đón đỡ đã được áp dụng. Trong khuôn khổ tham luận ở đây chỉ có thể  liệt kê sơ bộ, không thể trình bày chi tiết:

·         Đón đỡ bằng tường bê tông hoặc bê tông cốt thép-phương pháp kinh điển,

·         Đón đỡ bằng phương pháp gia cố đất,

·         Đón đỡ bằng cọc nhỏ, cắm chéo nhau dưới móng tường,

·         Đón đỡ bằng tường hào nhồi (cọc baret) cho trường hợp hào thi công sâu,

·         Đón đỡ bằng tường cọc khoan nhồi, khoan nghiêng về phía công trình kiến trúc,

·         Đón đỡ bằng phương pháp khoan phụt, với hóa chất hoặc áp lực cao,

Trên hình7 minh họa một số phương án đón đỡ công trình kiến trúc trên mặt đất.

4.Kết luận

Phương pháp thi công hở là phương pháp thi công kinh tế nhất để thi công các công trình ngầm, trong những điều kiện cho phép. Nghiên cứu và áp dụng hiệu quả các phương pháp trên cơ sở các kinh nghiệm đã đúc rút được ở trong và ngoài nước sẽ góp phần lựa chọn được các giải pháp kỹ thuật và công nghệ hợp lý.

Trong hoàn cảnh hiện nay cần chú ý xem xét khả năng bố trí các tuyến giao thông ngầm dọc theo các tuyến đường bộ sẵn có, thi công bằng phương thức tường-nóc. Quá trình thi công nên thực hiện theo sơ đồ “cuốn chiếu” để hạn chế ách tắc giao thông.

Để bảo vệ thành hào thi công cũng như xử lý các trường hợp hào thi công đi sát hoặc dưới công trình kiến trúc cần thiết tham khảo kỹ và nâng cao năng lực thi công về tường trong đất và các phương pháp gia cố khối đất.