Một số bài học được đề nghị rút ra quanh sự cố các công trình xây dựng có phần hầm tại thành phố Hồ Chí Minh

Hội thảo chuyên đề “Công trình XD có phần ngầm – Bài học từ các sự cố và giải pháp phòng chống” 1 MỘT SỐ BÀI HỌC ĐƯỢC ĐỀ NGHỊ RÚT RA QUANH SỰ CỐ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG CÓ PHẦN HẦM TẠI TPHCM Dương Hồng Thẩm, Khoa Kỹ thuật và Công Nghệ (ĐH Mở TpHCM) Tóm tắt: Bài báo này đề cập về những nội dung tính toán địa kỹ thuật xung quanh biện pháp thi công tường vây, tường trong đất sử dụng làm vách hầm và phần nào gợi ý cho việc thiết kế biện pháp thi công được an toàn, bền vững và hiệu quả. Một số bài học từ hai trường hợp sự cố được rút ra. Từ khoá: Thiết kế biện pháp thi công – Hạ mức nước ngầm – Phá hoại liên tiến – Cuộc họp tiền khởi công 1. Những vấn đề chung về sự cố trong quá trình xây dựng phần ngầm tại TpHCM Trong các công trình xây dựng nhà cao tầng, phần ngầm thường là các hầm. Trong thời gian gần đây, bằng việc áp dụng nhiều kỹ thuật thi công hiện đại và với một trình độ cao của đội ngũ kỹ sư thiết kế và chỉ huy thi công, ngành xây dựng trong địa bàn TpHCM đã hoàn thành rất thành công những công trình cao tầng có phần hầm. Tuy vậy, cũng đã thấy xuất hiện một số công trình xây dựng bị sự cố. Số lượng công trình bị sự cố tuy không nhiều, nhưng mức độ gây thiệt hại cho người và của cải của các công trình đang thi công và trong lân cận khu vực thi công là rất to lớn, rất nghiêm trọng và thực sự đã gây nhiều xôn xao dư luận về uy tín của những người làm xây dựng nói chung, không chỉ riêng ai. Có ý kiến cho rằng, khi ta đóng 10 cây đinh vào gỗ thì cũng có vài cây bị vẹo; hay khi mà công cuộc xây dựng với qui mô càng to lớn thì nguy cơ xảy ra chuyện này chuyện nọ hiển nhiên cũng tăng lên; và sau cùng, chẳng ai muốn xảy ra sự cố hết ! Những ý kiến này không sai, tuy nhiên theo ý kiến của người viết bài này, chúng ta cần tự kiểm điểm lại những việc đã làm vừa qua, cũng là một việc hết sức cần thiết cho một tương lai tốt đẹp hơn của ngành. Trở lại đề cập đến các sự cố, có thể thấy rằng đa số sự cố tập trung ở giai đoạn đang diễn ra việc thi công phần hầm, khiến chúng ta phải xem lại thiết kế biện pháp thi công và mối quan hệ giữa các công đoạn/công tác thi công. Thông thường, chúng ta sẽ bắt đầu soát lại một cách khá tổng thể đến những yếu tố chung trước và sau đó, sẽ đi vào phân tích cụ thể chi tiết từng yếu tố trong một danh mục kiểm tra có soát xét nhiều cấp. Theo ý kiến chủ quan của người viết bài này, trước mắt có thể nêu ra 4 nhóm yếu tố chính có liên quan đến sự cố: về không gian, thời gian, những yếu tố về con người và giá trị công nghệ của nó (vật liệu nhân công và ca máy). • Về không gian thi công: o Chiều sâu hố móng cho phần ngầm: Dù nông hay sâu (dưới 1m nền cát không chống vách đến vài chục mét) cũng đều có thể gây ra sạt lở cho nền công trình xung quanh (CTXQ), thậm chí còn gây nghiêng lún hay sụp đổ công trình bên cạnh [1]; o Độ sâu địa tầng khảo sát và bán kính điều tra công trình xung quanh trước khi thi công và trong quá trình thi công [2]; o Mức nước ngầm và biên độ lên xuống của nó, cùng những ảnh hưởng có liên quan của nước ngầm/nước mặt gây ra cho nền đất; o Độ sâu tường vây hay chiều sâu đóng cừ bản tối thiểu không tiên liệu khi bơm hạ mức nước ngầm hay thoát nước hố móng để thi công (trong tổ hợp tác động bất lợi) … o Vị trí hay địa tầng có nguy cơ xảy ra khuyết tật: Sự cố đa số xảy ra khi cừ/cọc đi qua các lớp đất nguy hiểm đối với thi công như cát bụi, bột…kèm áp lực trong các tầng đó. Hội thảo chuyên đề “Công trình XD có phần ngầm – Bài học từ các sự cố và giải pháp phòng chống” 2 o Tính hợp lý của biện pháp tổ chức không gian thi công kiểu 2 chiều (topdown hoặc bottom up) trước một bản thiết kế cho trước. • Về yếu tố thời gian o Không kiểm soát được tốc độ thi công: đào đất, lưu lượng bơm (hạ mức nước ngầm hoặc thoát nước hố móng), tốc độ ép cọc… o Do gấp rút hoàn thành tiến độ, đã tiến hành phi lý các công đoạn thi công, thậm chí bỏ qua những nguyên tắc “đèn đỏ “ trong trình tự, chẳng hạn như đã tiến hành thi công đồng thời nền trên đất yếu với cấu trúc, bỏ qua những kế hoạch dài hạn cần thiết về qui trình gia/giảm tải; Ngược lại, hố đào để quá lâu cũng khiến cho đất hố đào thay đổi do thời tiết, do nước ngầm nước mặt và các giải pháp chống đỡ trước đó không còn kiến hiệu nữa. o Thiếu thời gian quan trắc để hạn chế kịp thời sự phá hoại liên tiến (progressive failure). Khi có một số ít các manh mối dẫn đến nguy cơ phá hoại tiềm tàng, thì lại chưa có những giải pháp xử lý dự phòng, tiên liệu. • Về yếu tố liên quan đến con người ở trước và trong giai đoạn thi công: Thiết kế o Các sơ đồ phẳng 2D thường được sử dụng để tính toán, trong khi thực tế kích thước hố móng có giới hạn về tỉ lệ các cạnh của hố móng. Ngòai ra, có thiết kế qui đổi độ cứng một cách quá giản đơn để các phần mềm mô phỏng nhận biết được kết cấu và mô tả các tiết hợp. Đơn vị thẩm tra không phát hiện. o Thiết kế chưa quan tâm nhiều đến giải pháp thi công, sử dụng kết cấu loại công xôn trong nền móng phần ngầm (thí dụ: tường vây dạng công xôn để chắn vách hố đào sâu); o Thiết kế thay đổi_ thường gặp khi chủ đầu tư thay đổi qui mô xây dựng_ dẫn đến biện pháp thi công đã duyệt trở nên không phù hợp; o Không lưu ý đến đặc điểm không xác định của đất, cụ thể đó là sự phân phối lại nội lực lên các cấu trúc chống đỡ hố móng từ hiệu ứng bắc vòm của đất khi kết cấu chuyển vị. Thi công o Nhà thầu lập bản Thiết kế biện pháp thi công đã không tiên liệu đầy đủ tải trọng và tác động, tính toán sơ sài, khiếm khuyết hoặc dựa vào kinh nghiệm, dựa dẫm phần mềm trong khi không kiểm soát được tính tin cậy của kết quả (thiếu kiểm tra), có khi nhầm lẫn trong đánh giá tải và đáp ứng của đất, trước những biến đổi _thường là bất lợi hơn_ ngoài dự báo của nền đất trong khi thi công (thí dụ: đào đất theo giai đoạn, áp lực lên thanh chống thay đổi); o Vận hành máy móc thiết bị thiếu tính toán kiểm soát, thiếu kiềm chế, ít chú trọng qui trình kỹ thuật, “mất quân bằng” khi thi công (trọng tiến độ hay lợi nhuận kinh tế, bỏ qua kỹ thuật); o Bơm với tốc độ “phi mã” nhằm mau chóng hạ mức nước ngầm để thi công khi độ sâu đặt móng lớn, trong khi không quan tâm tầng đất xung quanh: đất có hệ số thấm lớn (hiển nhiên gây lún xung quanh nhiều và mau sụp) hoặc hệ số thấm bé (gây tăng lực trì trên khối tích và tăng áp lực ngang lên tường vây, gây phá hoại kết cấu); Hội thảo chuyên đề “Công trình XD có phần ngầm – Bài học từ các sự cố và giải pháp phòng chống” 3 o Trình độ thi công bị ảnh hưởng bởi thói quen, kinh nghiệm và sự bảo thủ của người chỉ huy. Giám sát o Công tác giám sát không kiểm soát hết nổi chất lượng vật liệu đổ trong đất, dẫn đến chất lượng không đồng đều tại các vị trí khác nhau trong một hạng mục (Tường vách hầm dạng cọc barrete đổ trong đất, hoặc sử dụng cọc khoan nhồi tiết diện nhỏ làm chống vách); o Thiếu kiên quyết hoặc thiếu thích ứng trong các tình huống xử lý, phó mặc đơn vị thi công; o Hạn chế trình độ, ngại lập biên bản; chủ yếu dựa vào kinh nghiệm nên không phê chuẩn hết những lãnh vực cần được giám sát, cho thông qua những khiếm khuyết mà không có những kiểm toán cần thiết và tiên liệu sự cố. • Về giá trị công nghệ o Thiếu thốn giá trị công nghệ: (1) do hạn chế trình độ tính dự toán, nên không đệ trình đầy đủ những tính toán thuyết minh kỹ thuật thi công (về vật liệu, nhân công, ca máy của biện pháp); hoặc (2) tuy đều biết trước, nhưng để thắng thầu phải gạn lọc bỏ bớt biện pháp hoặc “hậu xét” dẫn đến thiếu hụt giá trị công nghệ thi công hoặc (3) do đã bị động trước những phát sinh tại công trường (thường xảy ra ở khâu chống sạt lở vách) Một vấn đề riêng Lý thuyết lẫn quan trắc thực tế bài toán chống vách hố đào cho thấy đây thực sự là một bài toán hết sức khó khăn và đầy rủi ro, thách thức cả trong tính toán thiết dự lẫn trong quá trình thi công, nhất là khi công tác đào đất theo giai đoạn có áp dụng các phương pháp mới như top-down hay bottom-up. Vì thiếu số liệu thống kê, cho nên bài viết này không có tham vọng đề cập đến một đánh giá mối tương quan nhiều chiều từ tất cả những phân tích tổng thể trên, mà chỉ quan tâm đến một vấn đề riêng. Đó là sự phù hợp của giải pháp thi công phần ngầm với điều kiện của nền đất. Nói theo kiểu nói của người xưa, con người phải thích nghi với hoàn cảnh, ví như “mệnh” với “cục” cần được hài hòa thì mới tốt và phát huy được tài năng. Hay cụ thể hơn nữa, vấn đề là: Từ những sự cố vừa qua của phần ngầm, cần xem xét những số liệu địa chất hay địa tầng nào, danh mục các nội dung tính toán có tính bắt buộc nào (để trình duyệt bản thiết kế biện pháp tổ chức thi công), vừa là tài liệu chỉ dẫn kỹ thuật vừa có tính chủ động phòng ngừa từ xa và đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. 2. Những vấn đề có tính cơ sở được đề nghị 2.1 Kiểu thức phổ biến của tường vây tầng hầm tại TpHCM – Nguyên tắc chung Những dạng tường vây phổ biến thường được chọn theo năng lực thi công, kinh nghiệm tay nghề của đội ngũ nhân lực thi công và giá trị của công nghệ mà đơn vị thi công sở hữu, gồm: - Tường cừ bản chống sạt lở, rút lên thu hồi lại sau khi xây dựng tường vách; - Tường vây bằng cọc khoan nhồi, đường kính nhỏ đến trung bình (khoảng 600); - Tường trong đất dày sử dụng làm thường chắn tầng hầm luôn (kiểu barrette); Hội thảo chuyên đề “Công trình XD có phần ngầm – Bài học từ các sự cố và giải pháp phòng chống” 4 Nguyên tắc chung của bài toán tường vây hố đào sâu là bắt buộc phải có những tính toán cẩn thận và các tính toán phải phù hợp với diễn tiến thi công (về trình tự và có tính bao vây_ nghĩa là an toàn với mọi biến đổi có tính giai đoạn của trình tự đào). 2.2 Những nội dung tính toán điển hình trong một bản thiết kế biện pháp thi công Theo ý kiến chủ quan của người viết bài báo này, trước khi bắt đầu thi công cần thực hiện một số biện pháp như sau: 2.2.1 Biện pháp 1: Tiến hành nghiệm thu công tác chuẩn bị mặt bằng • Có trong tay số liệu điều tra khảo sát thực địa và đối chiếu với hồ sơ thíêt kế; Sơ bộ đánh giá phạm vi ảnh hưởng của tường cừ đối với nguy cơ gây ra biến dạng vượt mức cho phép của CTXQ [3], xác định rõ ràng chiều sâu đặt móng của các công trình bị ảnh hưởng để đưa vào kế hoạch theo dõi. • Phát hiện những điều không phù hợp giữa các hồ sơ thiết kế với tiêu chuẩn hiện hành và thực địa (kể cả những tác động như rung động môi trường), nêu ra trong cuộc họp tiền khởi công để các bên chỉnh sửa cho phù hợp. • Cùng với các bên liên quan khác điều chỉnh, họp tiền khởi công để thông qua và các bên chứng tỏ đã hoàn tất việc chỉnh sửa sai sót, đệ trình chủ đầu tư thông qua (đại diện là Ban quản lý dự án). 2.2.2 Biện pháp 2: Thiết lập chống vách hố đào chống sạt lở cho CTXQ • Sơ bộ kiểm tra bán kính ảnh hưởng do chiều sâu hố đào. Điều kiện là (H-h) /L < tanφ + Cu/qb trong đó H, h, L lần lượt là độ sâu hố đào, độ sâu đặt móng của CTXQ và khoảng cách giữa mép các công trình; qb là áp lực tiếp xúc của CTXQ đang theo dõi (ước tính); φ và Cu lần lượt là góc ma sát trong và lực dính không thoát nước của đất nền dưới CTXQ. Chọn lựa phương án chống vách theo khuyến cáo, [3]. Thông thường đơn vị thi công lựa chọn phương án chống vách và phương thức xây dựng (ép cừ Larsen, rung hạ cừ hoặc đúc cừ trong đất). Riêng về biện pháp hạ cọc bằng rung, có hai nguyên lý lớn là: Vật liệu rời càng đồng đều (xác nhận từ đường cong phân bố cỡ hạt) càng thay đổi độ chặt do tính dãn nở (dilatancy) càng cao; và nguyên lý: Dưới sự rung, vật liệu rời thì chặt lại còn vật liệu chặt (như bụi, cát bột) thì rời ra. Nguyên lý trước nói lên sự biến đổi thể tích rất lớn, tiềm tàng nguy cơ lún trên diện rộng xung quanh; còn nguyên tắc sau là đặc điểm nổi bật của đất rời dưới sự rung. • Tính toán chiều sâu cắm cừ bản tối thiểu cùng với sơ đồ chống vách từ bước trên o Chống bùng nền (cho đất dính) và cát sủi (thường xảy ra cho đất rời). o Tính toán hệ số an toàn ổn định của vòng vây: ƒ Đánh giá hệ số an toàn ổn định của chiều sâu cừ bản/tường vây: Tính toán lượng gia tăng áp lực ngang chủ động của đất lên tường chắn khi dung trọng đã tăng lên do gradient thủy lực của dòng thấm phát sinh trong quá trình bơm nước bên trong hố móng, đồng thời với sự giảm đáng kể của sức chống đẩy ngang (áp lực ngang bị động) của đất gài giữ chân tường chắn ƒ Tính toán chuyển vị đỉnh tường cừ và đánh giá thực tế bằng quan trắc thực tế một cách có kế hoạch, thường xuyên; ƒ Ước tính độ lún của đất xung quanh hố đào, đánh giá bằng thực tế quan trắc cả chuyển vị ngang của đỉnh tường và của đất nền/móng CTXQ [3]. Hội thảo chuyên đề “Công trình XD có phần ngầm – Bài học từ các sự cố và giải pháp phòng chống” 5 o Chuẩn y bản tính, tư vấn giám sát trưởng thông qua và chủ đầu tư đồng ý. • Tính toán lưu lượng thấm vào hố móng để thiết kế công suất bơm và hình học của hố đặt đầu bơm, đồng thời kiểm soát tốc độ hạ mức nước bên trong hố móng phục vụ thi công o Phải dựng lưu võng mới định lượng được lượng nước tuôn vào hố móng và tính đúng áp lực ngang của phần hạt và phần nước (gồm thuỷ tĩnh và thủy động). Từ đó chọn bơm tháo nước hố móng theo qui định. o Đo đạc kiểm tra đối chiếu tính toán. Kịp thời điều chỉnh từ công đọan làm thử trên số lượng mẫu. o Quan trắc và báo cáo chuyển vị bề mặt. • Thiết lập sơ đồ tính, kiểu thức tiết hợp (cây chống/giằng hay sàn đúc sau) và liệt kê tải trọng/ tác động lên tường vây, đưa vào tính toán độ bền, độ cứng và độ vững chắc (độ kiên cố) của kết cấu. 2.2.3 Biện pháp 3: Tính toán và theo dõi kiểm soát diễn biến hạ mức nước ngầm Hạ mức nước ngầm để thi công có thể: • Gây lún không đều cho CTXQ: Aùp lực hữu hiệu tăng lên từ các lớp đất nằm trên đường mực nước. Móng/công trình gần_ trên nguyên tắc _lún nhiều hơn móng/công trình xa o Chú trọng những tầng cát có nước ngầm, đặc biệt cát bụi, bột có áp lực. Muốn đo áp lực thủy động này, sử dụng thủy áp kế (piezometer); o Kết hợp lưới giếng bơm hồi nước, nhằm duy trì mức nước không bị giảm nhiều quá. Nên kiểm soát sự bơm: Không nên quá nhanh. o Sử dụng tầng lọc ngược đủ mịn-phía-dòng-vào để chống nguy cơ lọc rửa (piping) làm cốt liệu mịn trong nền CTXQ bị dòng thấm lôi đi và ra khỏi nền. • Làm xuất hiện lực dòng thấm (áp lực thủy động): Sai lầm thường thấy là các kỹ sư tính toán biện pháp thi công thường lựa chọn thông số tính toán dòng thấm và gradient thủy lực từ hệ số thấm theo phương đứng từ kết quả báo cáo địa chất; trong khi dòng thấm diễn tiến theo phương ngang (vốn có hệ số thấm luôn lớn hơn hệ số thấm phương thẳng đứng). • Làm gia tăng dung trọng đất xung quanh hố đào dẫn đến gia tăng áp lực ngang: Sử dụng hệ số thấm theo phương đứng là hợp lý. Tính toán biện pháp hạ mực nước ngầm • Bên cạnh những biện pháp hạ nước mặt, có quá nhiều những nội dung tính toán biện pháp và qui tắc phối hợp giữa các giếng bơm, giếng điểm hay các loại giếng khác nhau, cùng phục vụ cho việc “trị thủy” cho hố móng [2] • Kiểm soát tính hiệu quả của việc bơm nước, thể hiện bằng kết quả quan trắc và xác nhận xem có thỏa đáng theo sơ đồ tính hay không. 2.2.4 Biện pháp 4: Aùp dụng phương pháp thi công Hình 1: Góc nghiêng ảnh hưởng 45o Hội thảo chuyên đề “Công trình XD có phần ngầm – Bài học từ các sự cố và giải pháp phòng chống” 6 Phương pháp thi công top-down có thể hạn chế được chuyển vị và rút ngắn tiến độ, dù rằng trên thực tế, việc đào từ trên xuống đôi khi đắt và chậm hơn. 3. Một vài trường hợp đặc thù của công trình thực bị sự cố và bài học rút ra 3.1 Trường hợp sự cố công trình thứ nhất: Thi công rung hạ cừ Larsen L=12m, bên cạnh một tường vây hiện hữu bằng cọc khoan nhồi đường kính Þ300 dài 9m, bố trí cách khỏang 0.4m. ¾ Mô tả sự cố : Một thời gian sau khi thi công vòng vây bằng cọc Larsen L=12m phục vụ đào đất nối cọc khoan nhồi hiện hữu và thực hiện shoring vòng vây, công trình cao ốc 6 tầng bên cạnh bị nghiêng. ¾ Bài học rút ra: a) Sai phạm có thể về trình tự thi công móng sâu, cụ thể là nguyên tắc cừ /cọc dài hạ trước, cừ/cọc ngắn hạ sau. Trong trường hợp cừ Larsen L=12m cách hàng cọc vây khoan nhồi chỉ 2m, và sau đó vòng cừ Larsen thứ hai chiều dài tương tự cách hàng cừ Larsen đóng trước 2.7m. Cả hệ Larsen trước và sau xếp hàng theo triền dốc (xem Hình 1). Đáng lẽ phải thi công vòng cừ trong trước. Trong trường hợp nếu trình tự ép cừ đã không sai, tức là đơn vị thi công đã thi công cừ trong _dài hơn đóng/ép trước, có thể sự rung đã làm lớp cát chặt lại dưới mũi cọc khoan nhồi Þ300 tường vây sát nhà 6 tầng. b) Không chú ý đến địa chất công trình khi thiết kế biện pháp hạ cừ, nhất là các tầng cát. Cả hai hệ cừ trước và sau đều hạ vào lớp cát bời rời và chặt vừa sẽ làm đất chặt lại do phát sinh túi nén chặt bên dưới mũi cừ (phát triển lên một đọan thân cừ khoảng 8 lần cạnh cừ), trong quá trình rung để hạ cừ đến độ sâu –17.000 đã khiến cát đang giữ hàng cừ trước rời bỏ cừ này để tập trung về phần dưới mũi cừ Larsen đóng sau. Kết quả là hàng cừ Larsen đóng trước tụt xuống và gập ngả ngang về phía hố đào, kéo theo hàng cọc khoan nhồi vây sát nhà 6 ta