Nghiên cứu phương pháp thi công Semi - Topdown sử dụng cừ thép để chống đỡ hố đào tầng hầm

KS. Nguyễn Ngọc Nguyên Công ty CP TV và Thiết kế xây dựng Việt Nam KS. Trần Trung Hiếu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Người phản biện: TS. Trần Hồng Minh TS. Lê Anh Tuấn

Tóm tắt: Với công trình có từ 1 đến 3 tầng hầm thì việc lựa chọn được một phương án thi công hợp lý cả về kinh tế và điều kiện kỹ thuật không phải là một việc đơn giản. Bài báo đưa ra một phương án thi công phần ngầm mới có sử dụng cừ thép để chống đỡ hố đào hợp lý, có tính khoa học, kinh tế trên cơ sở đảm bảo các điều kiện kỹ thuật nhằm khắc phục những nhược điểm của tường trong đất, nâng cao chất lượng tường tầng hầm; giảm thiểu tối đa chi phí giá thành và ô nhiễm môi trường, phục vụ thực tế sản xuất.

Từ khóa: Semi topdown, tầng hầm, cừ thép, kinh tế.

Abstract: With buildings that have 1-3 levels of basement, the selection of an proper construction option (suitable for economy and technical requirement) is not simple. The article delivers a construction option for underground part using steel piles to  bear the load of excavated pit properly, scientifically, economically on the base of technical requirement. In order to fix the weakness of wall in lands, improve the quality of basement’s walls, reduce cost and environment pollution, supporting  production in reality.

Keywords: Semi topdown, basement, steel piles, economic.

1. Mở đầu

Những năm gần đây, tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác, nhiều công trình có nhiều tầng hầm đã và đang được xây dựng. Việc thi công tầng hầm có thể làm đất nền bị dịch chuyển và lún, gây hư hỏng cho các công trình lân cận (nhất là đối với các công trình xây chen, có mặt bằng chật hẹp ở Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh hiện nay) nếu không có các giải pháp thích hợp. Với công trình xây chen có 1 - 3 tầng hầm, có rất nhiều các giải pháp thi công phong phú, đa dạng có thế áp dụng được như: Tường cừ thép, cọc xi măng đất, tường vây barrette... kết hợp với 1 - 2 tầng chống bằng thanh chống thép hoặc neo trong đất. Nên với công trình có từ 1 - 3 tầng hầm thì việc lựa chọn được một phương án thi công hợp lý cả về kinh tế và điều kiện kỹ thuật không phải là một việc đơn giản. Với việc sử dụng cừ thép, có thể kể đến một số giải phải chống đỡ phổ biến như:

Chống ngang nếu kích thước mặt bằng công trình không quá rộng;

Chống vào cọc khoan nhồi, đài cọc hoặc phần đất chưa thi công.

Với công trình có 2 tầng hầm trở lên, phương án Semi - topdown sử dụng tường trong đất thường được tin dùng nhất với ưu điểm là độ cứng lớn nên chuyển vị ngang rất nhỏ, rất hữu ích cho việc thi công các hố đào sâu và bảo đảm ổn định cho các công trình lân cận khi thi công chen trong thành phố. Tuy nhiên, phương án này vẫn tồn tại một số nhược điểm chưa thể khắc phục, đặc biệt là liên quan tới chất lượng tường vây, chống thấm bên ngoài tường, chi phí vật liệu và vấn đề ô nhiễm môi trường. Những nhược điểm trên có thể được khắc phục hoàn toàn nếu áp dụng thi công với phương án cừ thép.   

Hình 1.1: Chống ngang                                             Hình 1.2: Chống vào cọc khoan nhồi, đài cọc

 

Hình 1.3: Chống cột tầng hầm                                         Hình 1.4: Thống kê các phương pháp thi công                                                                                                                                 tầng hầm

Hiện nay ở Việt Nam, các công trình nhà có nhiều tầng hầm ngày càng xuất hiện nhiều và đi kèm với đó là khá nhiều các giải pháp, đặc điểm thi công tầng hầm.

Bảng 1.1. Các giải pháp lựa chọn thi công chủ yếu tầng hầm ở Việt Nam [4]

 

Nhận xét: Từ bảng số liệu thống kê cho thấy, ở Việt Nam, với công trình có từ 3 tầng hầm trở lên, giải pháp ưu tiên nên lựa chọn là tường barrette kết hợp phương án Top - Down, Semi - Topdown; đối với 2 tầng hầm có rất nhiều các giải pháp thi công phong phú, đa dạng có thế áp dụng được như: Tường cừ thép, cọc xi măng đất, tường vây barrette... kết hợp với 1 - 2 tầng chống bằng dàn thép hoặc neo trong đất...

2. Trình tự các giai đoạn thi công tầng hầm theo phương pháp mới Semi - Topdown sử dụng cừ thép

Với phương pháp Semi - Topdown mới sử dụng cừ thép và hệ dầm sàn tầng hầm (kết hợp một phần hệ thanh chống thép) làm kết cấu chống đỡ, khi đó, tường bao tầng hầm sẽ được thi công sau này cùng với cột, vách ngăn tương tự như phương pháp sử dụng tường vây barette thông thường. Thi công tầng hầm xong sẽ lấp đất, cát vào khoảng trống giữa cừ thép và tường bao (nếu có), sau đó rút cừ thép hoặc để cố định vĩnh viễn trong lòng đất. Trên cơ sở đó đề xuất ra 2 phương án sau:

Phương án 1 (PA1): Thi công xong sẽ rút cừ, sử dụng hệ dầm sàn tầng hầm kết hợp hệ dầm bo, thanh chống làm kết cấu chống đỡ.

Phương án 2 (PA2): Giữ nguyên cừ trong lòng đất làm kết cấu chắn giữ, tường bao sau này, sử dụng hệ dầm sàn tầng hầm làm kết cấu chống đỡ.

Hình 2.1:Quy trình thi công áp dụng cho PA1 thi công xong sẽ rút cừ

 

PA2 tương tự như PA1, chỉ khác là không có giai đoạn lắp đặt hệ văng chống vì cừ thép tựa trực tiếp lên hệ dầm sàn và không phải lấp đất, rút cừ như PA1 mà giữ nguyên cừ trong lòng đất kết hợp với chính tường bao làm kết cấu chắn giữ tầng hầm sau này.

Hình ảnh mô tả quy trình thi công theo PA1 (công trình 2 tầng hầm)

 

3. Một số ưu điểm, nhược điểm, phạm vi áp dụng của phương án mới

3.1. Ưu điểm

- Thi công theo phương ánSemi - Topdown nên vẫn giải quyết được các vấn đề về mặt bằng và tiến độ thi công, không cần dùng hệ thống chống tạm (PA2), giải quyết được các vấn đề về móng, giảm một phần ảnh hưởng xấu của thời tiết tới công tác thi công; chống đỡ được vách đất với độ ổn định và an toàn cao nhất, hơn bất cứ phương án sử dụng hệ chống đỡ thanh chống thép nào;

- Máy móc, thiết bị thi công tầng hầm đơn giản và tiến độ thi công nhanh;

- Độ cứng, sự liên kết và làm việc tổng thể, chất lượng của tường bao tốt vì tường bao tầng hầm được đổ toàn khối; bê tông đặc chắc, không bị rỗ, khuyết tật;

- Chiều sâu và chiều dày tường bao có thể giảm rất nhiều, tiết kiệm vật liệu;

- Dễ dàng trong công tác nghiệm thu, xử lí sự cố và đặc biệt là chống thấm;

- Giảm bớt chi phí lắp đặt hệ thống thông gió và chiếu sáng nhân tạo;

- Giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường do không phải sử dụng dung dịch Bentonite giữ thành hố đào tường vây (chỉ dùng khi thi công cọc khoan nhồi).

3.2. Nhược điểm

- Vẫn tồn tại một số nhược điểm của phương án Semi - Topdown;

- Cừ larssen có độ cứng tương đối thấp, nếu biện pháp chống đỡ không hợp lý, cừ sẽ bị biến dạng và chuyển vị ngang lớn làm gia tăng dịch chuyển đất quanh hố đào, gây ra lún đất nền và ảnh hưởng đến công trình lân cận;

- Trong cả quá trình thi công xét về nhiều mặt thì phương pháp này thường phát sinh hiện tượng rò rỉ nước ngầm qua cừ, có thể làm đẩy nổi đất đáy hố đào;

- Quá trình rút cừ, lấp đất gây ảnh hưởng một phần đến công trình lân cận (PA1).

3.3. Phạm vi áp dụng

- Phương pháp này phù hợp với công trình xây chen có độ sâu hố đào không quá lớn (thường từ 1 - 3 tầng hầm); khoảng cách với công trình lân cận không quá gần (cách từ 5m);

- Địa chất công trình tương tối tốt hoặc địa chất yếu nhưng tường cừ vẫn đảm bảo khả năng chịu lực và chuyển vị cho phép;

- Mực nước ngầm không quá cao để hạn chế sự rò rỉ, đẩy nổi đất đáy hố đào.

4. So sánh biện pháp thi công “Semi - Topdown” sử dụng cừ thép với phương án sử dụng tường trong đất

4.1. Đặc điểm công trình

Công trình: Khu dịch vụ văn phòng và nhà ở 130 Nguyễn Đức Cảnh - Hoàng Mai - Hà Nội. Tổng chiều cao là 71,4m (21 tầng nổi) và 2 tầng hầm.

- Hệ dầm sàn tầng hầm thứ nhất: Cấu tạo bởi các dầm chính, dầm phụ có 800 x 450; 700 x 450, 300 x 450mm; chiều dày sàn 200mm (cao độ -3,80m);

- Sàn tầng hầm thứ nhất hai: Chiều dày 400mm (cao độ -6,90m);

- Đáy đài móng: (cao độ -8,85);

- Phía Bắc giáp đường giao thông rộng 10m; phía Tây giáp Nhà máy Điện cơ Thống Nhất; phía Nam giáp khu dân cư (cách tường tầng hầm 8m); phía Đông giáp khu dân cư  (cách tường tầng hầm 12m).

4.2. Tính toán, thiết kế với phương án tường trong đất

Tính toán cho đoạn tường barrette có chiều dày 0,8m, độ sâu H = 30m; bê tông B30;

Độ cứng chống uốn của tường EI = 32,5.10⁶.(1.0,8³/12) = 138,67. 10⁴ kN.m²;

Độ cứng chống kéo, nén của tường là EA = 32,5.10⁶.(1.0,8) = 26.10⁶ kN;  

Thanh chống là hệ sàn tầng hầm 1, dày 200mm có độ cứng chống nén là EA = 32,5.10⁶.(1.0,2) = 6,5. 10⁶ kN; L_spacing = 5,1m.

Hình 4.1: Mặt bằng kết cấu sàn tầng hầm 1 trong giai đoạn thi công hố đào

 

Hình 4.2: Mô hình tính toán không gian khi chạy bằng chương trình Etab 9.7.4

 

Hình 4.3: Mặt cắt liên kết giữa thanh chống với tường cừ, dầm tầng hầm 1

 

4.3. Kết quả phân tích

Hình 4.4: Chuyển vị ngang và mô-men lớn nhất của cừ nằm trong giai đoạn thi công

Kiểm tra chuyển vị: 42,20.10^-3 m = 4,22cm < 0,5%H = 0,4425cm theo tài liệu [2]. Do đó, với độ sâu H = 30m thì tường vây đảm bảo điều kiện chuyển vị.

Tính thép cho tường vây:Phần mềm Plasix 8.2 ta cho thấy nội lực lớn nhất xuất hiện trong giai đoạn thi công là M_{tường vây} = 896,09 kN.m/m = 89,609 T/m để tính thép.

4.4. So sánh khối lượng và chi phí vật liệu tường bao tầng hầm giữa phương án sử dụng cừ thép và tường trong đất

Từ kết quả nội lực trên, lực tác dụng vào hệ dầm sàn và quy trình thi công của hai phương án là tương đối giống nhau. Tính toán cũng chọn được kích thước tiết diện dầm sàn, king post của hai phương án là như nhau. Vì vậy, để so sánh khối lượng và chi phí vật liệu giữa hai phương án, bằng cách so sánh tường bao tầng hầm:

PA1: Sử dụng cừ thép:

- Tường bao dày 0,35m, chiều sâu tường là 8,9m (theo đơn vị thiết kế);

- Thép tường bao: Thép dọc 20a170mm (CIII); thép ngang: 14a200 (CII).

PA2: Sử dụng tường trong đất (barrette):

- Tường vây barrette dày 0,8m, chiều sâu tường là 30m (tính toán);

- Thép tường bao: Thép dọc: 28a170mm (CIII); thép ngang: 16a200 (CII).

Từ kết quả trên, ta bóc tách khối lượng tính toán và lập được bảng so sánh sau:

Bảng 4.1. Bảng tính khối lượng và chi phí vật liệu làm tường bao tầng hầm

4.5. Nhận xét

Ta có thể thấy áp dụng phương án Semi - topdown cho công trình 130 Nguyễn Đức Cảnh sử dụng cừ thép so với việc sử dụng tường vây barrette thì:

- Khối lượng bê tông tường bao chỉ bằng khoảng 1/7 lần;

- Khối lượng thép tường bao bằng 1/6 lần;

- Tổng chi phí vật liệu thi công tường bao tầng hầm chỉ bằng 1/2 lần.

Tuy nhiên, vì độ cứng cừ thép nhỏ nên chuyển vị ngang (8,9cm) lại lớn hơn, gấp 2 lần so với việc sử dụng tường vây barrette (4,22cm).

5. Kết luận và kiến nghị

Kết luận về tính khả thi của phương án mới

Công trình xây chen có diện tích tầng hầm vừa phải, công trình lân cận không quá gần, tải trọng phụ tác dụng lên tường chắn không quá lớn, phương án chống đỡ tường cừ larssen bằng hệ dầm sàn tầng hầm vẫn có thể đảm bảo các điều kiện kĩ thuật.

Với một số công trình xây chen có kích thước hố đào rộng và sâu, xung quanh có công trình lân cận thì phương án chống đỡ tường cừ larssen bằng hệ dàn thép rất khó đảm bảo kĩ thuật và hiệu quả kinh tế. Phương án tường trong đất tuy đảm bảo kĩ thuật nhưng chi phí cao, trong khi đó vẫn tồn tại một số nhược điểm thì việc lựa chọn “phương án thi công Semi - Topdown sử dụng cừ thép làm kết cấu chắn giữ là một phương án rất thực tế và khả thi, trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật, chất lượng tường bao công trình và đặc biệt là tiết kiệm tối đa vật liệu thi công.

Với phương án tường trong đất thì tại Việt Nam chỉ có một số ít các doanh nghiệp có đủ hệ thống máy móc thiết bị, năng lực và kinh nghiệm để đảm bảo chất lượng thi công tường vây tốt. Tuy nhiên, với phương pháp mới này thì hệ thống máy móc, quy trình thi công đơn giản hơn rất nhiều, hầu hết các đơn vị thi công đều có thể chủ động đáp ứng được.

Phương án thi công tiết kiệm vật liệu, mang lại hiệu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường là vấn đề được quan tâm hiện nay.

Tài liệu tham khảo

[1]. Đỗ Đình Đức chủ biên (2004), Kỹ thuật thi công 1, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

[2]. Nguyễn Bá Kế (2002), Thiết kế và thi công hố móng sâu, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

[3]. Nguyễn Văn Quảng, Nguyễn Tráng (8/2008), Những bài học kinh nghiệm trong việc xây dựng tầng hầm nhà cao tầng ở Việt Nam, TP. Hồ Chí Minh.

[4]. Nguyễn Dư Tiến, Trần Đức Cường (2006), Các giải pháp thiết kế và thi công tầng hầm nhà cao tầng, Tạp chí Tư vấn Thiết kế, số 3.

[5]. Phạm Khánh Đức (5/2004),Thi công tường chắn tạm cho tầng hầm nhà cao tầng bằng cừ larsen trên địa bàn thành phố Hà Nội, Luận văn Thạc sỹ.

[6]. Vũ Mạnh Hùng, Nghiên cứu tính toán lỗ mở sàn trong thi công tầng hầm nhà cao tầng theo phương pháp thi công từ trên xuống, Luận văn Thạc sỹ.

[7]. Kết cấu thép, Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575-2012.

[8]. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574-2012.