Chuyện dự án: chuyển vị lớn ở cừ, nguyên nhân và cách khắc phục

Project story: large deformation of a quay wall structure, causes and solutions

Tóm tắt / Abstract

An agricultural-product export facility is being constructed in Europe. The facility includes a berth of more than 400 meters long with a minimum water depth of 16 meters; for the berth, an anchored quay wall structure is installed. After backfilling of the wall with rain-bowing method, a significant movement up to 90 cm at the top of the quay wall was observed. Due to the limited geotechnical data, sensitivity analysis of important geotechnical and structural design parameters in Plaxis was carried out to (1) verify the original limited equilibrium method (LEM) design, (2) find potential root-causes, (3) assess a safety area to operate and (4) suggest reasonable reinforcement options.

Giới thiệu / Introduction

Ở khoảng cách 500 m cạnh một khu cảng tổng hợp để xuất khẩu than đá và container, một khu bến với chiều dài khoảng trên 400 m và mực nước sâu khoảng 16 m được xây dựng mới để chuyên xuất khẩu các sản phẩm nông nghiệp. Khu cảng này nằm cách bờ biển khoảng 4 km, vốn là hạ lưu một con sông nhỏ đã bị bồi lắng từ lâu, Hình 1 trình bày khu vực bến cảng và mặt bằng thiết kế.

Bến mới xây có cấu trúc dạng tường cừ thép được neo vào vật liệu san lấp phía sau, cụ thể cấu trúc của bến như sau:
• Tường cừ thép phía trước (cừ thép PU32 S390 GP) được neo vào dãy cọc thép ống phía biển;
• Hàng cọc thép ống phía biển (phía ngoài, ø1420 x 12 mm) được liên kết với nhau bởi hệ thống dầm bê tông cốt thép cũng là nơi đặt tuyến ray cho cần cẩu;
• Hàng cọc thép ống phía đất liền (phía trong, ø1220 x 11 mm) được liên kết với nhau bởi hệ thống dầm bê tông cốt thép cũng là nơi đặt tuyến ray cho cần cẩu;
• Các dầm thép được hàn cố định nối các cọc thép ống phía biển lại với nhau (sẽ được gọi là đai thép);
• Hệ thống các bản neo thép (cừ thép PU32 S390) trong đất với thanh neo (dầm thép chữ H HP360 x 152 S355) được kết nối vào hàng cọc thép ống phía biển; và
• Dầm giằng.
Hàng cọc thép phía trong dù không kết nối trực tiếp vào hệ thống tường cừ nhưng được kỳ vọng là sẽ giúp giảm tải từ vật liệu san lấp tác động trực tiếp lên bản tường cừ nhờ tạo ra hiệu ứng vòm giữa hai cọc thép cạnh nhau. Hình 2 trình bày mặt cắt ngang và mặt bằng kết cấu bến; hình 3 chụp cận cảnh các chi tiết bến. Cần chú ý là dạng kết cấu công trình được đưa ra để tái sử dụng các cọc thép ống, cừ thép và dầm thép cũ từ một dự án xây dựng gần công trường.

Trình tự thi công của hệ thống bến bao gồm các bước sau:
• Bước 1: nạo vét khu vực bến;
• Bước 2: thi công tường cừ thép và các hệ thống cọc (trong nước);
• Bước 3: lắp đặt hệ đai thép, bản neo thép, thanh neo, dầm giằng (trong nước);
• Bước 4: lấp đất phía trong hệ thống bến.
Sau khi tiến hành lấp đất một phần khu bến, các kỹ sư hiện trường đã phát hiện chuyển vị tương đối lớn của hệ thống tường cừ, đặc biệt là ở phần bên trái từ lý trình 270 đến 450. Hình 4 mô tả chuyển vị hệ thống tường cừ tại các vị trí đai thép, mặt nước, bụng cừ (tại cao trình -8 m) và đáy nước (tại cao trình -16 m) và kết quả đo hiện trường vào ngày 10 tháng 3 năm 2018. Các giá trị chuyển vị này là giá trị thực đo so với vị trí thiết kế lý thuyết ban đầu và lớn hơn rất nhiều so với tính toán thiết kế gốc.
Do không có được lời giải thích hợp lý cho hiện tượng xảy ra từ phía đội thiết kế, chủ đầu tư công trình đã thuê công ty HaskoningDHV phân tích kỹ thuật và tư vấn các vấn đề sau:
• Nguyên nhân của chuyển vị lớn;
• Sự ổn định (về mặt địa kỹ thuật và kết cấu) của bến hiện tại trong điều kiện vận hành thiế kế; và
• Giải pháp xử lý sự cố.
Bài báo này sẽ trình bày tóm tắt các phân tích kỹ thuật liên quan đến dự án này. Các tính toán kiểm tra tuân thủ theo các quy định trong các tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 0, 1 và 7 và các chỉ dẫn trong tài liệu hướng dẫn của Vương quốc Anh về các công trình thủy BS 6349-5.

Phân tích Địa kỹ thuật / Geotechnical analysis

Thông số đầu vào / Input

Mặt cắt địa chất dọc theo tuyến bến (vị trí các hố khoan nằm giữa 2 hàng cọc thép ống) từ ba khảo sát địa chất các năm 2010, 2018 và 2020 được trình bày trong hình 5. Độ sâu các hố khoan khoảng từ 24 đến 40 m.
Từ mặt cắt địa chất năm 2010 có thể thấy rằng:
• Cao trình đáy mặt hồ tự nhiên tại vị trí dự án lúc ban đầu là khoảng -1.6 đến -1.9 mCD.
• Lớp bùn sét yếu (loamy mud) dưới đáy hồ dày khoảng từ 8 đến 12 m suốt dọc chiều dài bến. Tiếp đến là lớp đất pha sét mềm dày khoảng 1 đến 4 m. Như trên hình 5, có thể thấy rằng tại vị trí hố khoan số 7 (năm 2010), tổng chiều dày các lớp đất yếu là lớn nhất lên đến hơn 18 m.
• Xuất hiện dưới đáy các hố khoan (cho đến độ sâu khoan khảo sát) là lớp đất pha sét nửa cứng.
• Ở một số hố khoan có sự xuất hiện của lớp thấu kính với vật liệu cuội sỏi.
Về cơ bản, toàn bộ phần đất bùn sét yếu (loamy mud) quan sát thấy vào năm 2010 đã được bóc và thay thế bằng lớp cát san lấp (backfill sand) như trong khảo sát năm 2018 và 2020. Mặt cắt địa chất của năm 2018 và 2020 có sự khác biệt đáng kể về vị trí và chiều dày các lớp đất mặc dù vị trí các hố khoan chỉ sai khác vài meter theo hướng vuông góc với tuyến bến. Việc này có thể là do chất lượng khảo sát hoặc do sự chuyển vị của lớp sét yếu vẫn còn tiếp tục diễn ra.
Mặc dù khảo sát địa kỹ thuật được tiến hành trong ba đợt nhưng số lượng thí nghiệm cũng như loại thí nghiệm rất hạn chế, kết quả thông số đất có độ tin cậy không cao với sự khác biệt tương đối lớn ngay cả với hai đợt thí nghiệm năm 2018 và 2020, đặc biêt là các thông số cường độ và độ cứng.
Theo yêu cầu của chủ đầu tư và đơn vị tư vấn ban đầu, các thông số tính toán ứng với ba đợt khảo sát được trình bày trong bảng 1 phía dưới. Các thông số này được sử dụng như là cơ sở để tính toán các thông số địa kỹ thuật cho mô hình Hardening Soil trong Plaxis.
Trong công tác nạo vét, nhà thầu thi công dùng máy cuốc kiểu gàu ngoạm để nạo vét lớp bùn sét yếu tạo thành mặt cắt nạo vét như trong hình 6. Công tác nạo vét được tiến hành trong khoảng 4 tháng và kết thúc vào tháng 12 năm 2017. Ở phía trước vị trí thiết kế của tường cừ, cao trình mặt hồ sau nạo vét có dạng như được trình bày trong hình 6. Theo các tài liệu nạo vét, lớp đất bề mặt khu nạo vét đã bị rời rạc hóa một cách đáng kể do các công tác nạo vét; hiện tượng này được đưa vào mô phỏng trong quá trình phân tích kỹ thuật.

Bảng 1: Thông số tính toán

Quá trình san lấp được thực hiện bằng cách phun hỗn hợp cát rời rạc với nước qua hệ thống vòi phun gắn bên hông tàu san lấp như được trình bày trong hình 7. Các vòi phun được thiết kế để có thể phun hỗn hợp đất nước vào vị trí khoảng 30 m sau tường cừ nhằm phủ lấp bản đất phía trong ngay từ thời điểm ban đầu của quá trình thi công để bản neo có thể cung cấp đủ sức giữ cho hệ thống bến.
• Tiến trình san lấp được quan trắc và mặt cắt san lấp được đo đạc vào 3 thời điểm 13/11/2017, 27/12/2017 và 31/01/2018 như hình 6. Do không có dữ liệu quan trắc giữa hai thời điểm 13/11 và 27/12 nên giả thiết về việc bản neo đất được phủ lấp đầy đủ không thể được xác minh dựa vào kết quả thực đo.
• Việc thi công san lấp theo hình thức phun cầu vồng sẽ khiến cho đất san lấp dưới nước (sau khi mới được phun vào vị trí) sẽ có độ chặt tương đối thấp (khoảng 60%) và tỷ số ứng suất hông trên ứng suất đứng cỡ khoảng 1.0.
Tải trọng từ cẩu trục phía trên bến và từ hàng hóa trên bãi phía sau bến được giả thiết như trên hình 8.

Phân tích độ nhạy / Sensitivity analysis

Bước đầu tiên trong việc phân tích địa kỹ thuật là kiểm tra lại kết quả tính toán thiết kế theo phương pháp cân bằng giới hạn (LEM – phần mềm D-Settlement) của đơn vị tư vấn ban đầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – phần mềm Plaxis) như trên hình 9. Kết quả tính toán theo hai phương pháp được so sánh theo các hạng mục mô men, lực cắt, lực trong neo và chuyển vị đầu cừ Kết quả tính toán theo FEM là tương đương với kết quả tính toán theo LEM (độ sai khác chỉ từ 5-9%) khi mà hệ thống cọc ống-tường cừ được đơn giản hóa thành một tường cừ độ cứng tương đương, neo bản được thay thế thành neo ảo dạng điểm và các thông số cường độ đất sử dụng là giống nhau.

Trong các bước phân tích tiếp theo, thay vì sử dụng neo điểm như ban đầu, dạng neo bản như ngoài hiện trường cũng được đưa vào mô phỏng. Ngoài ra, thay vì sử dụng địa tầng nằm ngang như trong mô hình LEM, địa tầng thực ngoài hiện trường được đưa vào mô hình, như được trình bày trong hình 10. Bên cạnh đó, các thay đổi về thông số đất, thông số cấu kiện kết cấu cũng được đưa vào mô hình để kiểm tra sự ảnh hưởng của những thay đổi này.

Các kết quả tính toán chỉ ra rằng:
• Khi địa tầng thực địa được đưa vào mô hình tính toán, khối đất đắp trượt dọc theo mái nạo vét từ đó tăng thêm áp lực lên tường. Quan sát này cũng phần nào giải thích việc thay đổi bề dày lớp bùn sét yếu ở hai khảo sát năm 2018 và 2020.
• Khi dạng neo điểm được thay thế bởi neo dạng bản với kích cỡ và vị trí như ngoài hiện trường, chuyển vị của hệ thống cọc-cừ đều tăng lên đáng kể, thậm chí vượt ra trị thực đo ngoài hiện trường.
• Việc giảm độ dày thép ống hoặc cường độ các cấu kiện kết cấu để kể đến sự ăn mòn/hoen rỉ (độ giảm cao nhất lên đến 25%) có ảnh hưởng nhất định đến chuyển vị cừ cũng như mô men uốn của cọc thép và tường cừ. Tuy nhiên sự ảnh hưởng này không lớn.
• Các thông số đất có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán, không chỉ ảnh hướng đến chuyển vị cừ, mô men tường / cọc mà còn cả hệ số an toàn tổng thể của công trình. Ngoài ra việc giảm các thông số đất cũng dễ khiến mô hình mất ổn định (numerical instability) khi phần bụng cừ chuyển vị quá lớn, như trên hình 11, khiến ma trận độ cứng (stiffness matrix) của đất tại vị trí này bị suy biến (singularity).

Nguyên nhân chuyển vị lớn và rủi ro đi kèm / Causes of large deformation and subsequent risks

Mặc dù kết quả thực đo tại hiện trường không được tái hiện lại hoàn toàn thông qua mô phỏng do hạn chế về thông số đầu vào (thiếu các thông số cố kết, lịch sử địa tầng và các thông số cường độ có độ tin cậy thấp) và bản chất biến dạng lớn (large-strain) xảy ra cục bộ tại bụng cừ khiến mô hình tính toán khó ổn định. Tuy nhiên, dựa trên các kết quả tính toàn từ các phân tích độ nhạy cùng với các kinh nghiệm về thiết kế và thi công các công trình tương tự của các bên liên quan thì một số nguyên nhân cho chuyển vị lớn của hệ tường cừ đã được thảo luận và thống nhất như sau:
• Một bộ phận lớn tường cừ có chân cừ nằm trong lớp đất pha sét mềm hoặc chỉ nằm khoảng dưới 5 m trong lớp đất pha sét nửa cứng (theo kết quả khảo sát hiện trường tại nhiều vị trí dọc tuyến cừ) từ đó không cung cấp đủ lực giữ cho chân cừ.
• Hiệu ứng vòm theo dự kiến của đơn vị thiết kế ban đầu có lẽ đã không kịp hình thành đặc biệt khi đất san lấp được thi công bằng phương pháp phun mưa khiến cho độ rời rạc và tính lưu động của nó rất cao, từ đó gây ra áp lực lớn lên tường cừ.
• Với thực tế là bề mặt khu nạo vét vẫn còn một lớp đất bùn sét yếu tương đối dày, đất san lấp có thể đã trượt dọc mái đào gây tăng áp lực lên tường cừ đồng thời đẩy lớp đất yếu này xuống phần chân cừ, từ đó làm giảm khả năng bám đất của cừ.
• Việc đặt bản neo trực tiếp trên lớp đất bùn sét yếu trên mái dốc khiến cho lực giữ neo có vẻ như không đủ lớn. Ngoài ra toàn bộ bản neo cùng với khối đất san lấp nằm toàn hoàn trong khối đất trượt dọc trên mái dốc nạo vét (như hình 11), từ đó lại càng làm giảm khả năng giữ của bản neo.
Với các nguyên nhân đã nêu trên và cùng mới các phân tích kết cấu cho các cấu kiện tường cừ, cọc thép ốc, bản neo và thanh neo, một số cảnh báo rủi ro đã được đưa ra:
• Tường cừ hiện đang bị quá ứng suất nhưng chưa đến giới hạn nguy hiểm nên còn có thể sử dụng được. Điều này được kiểm chứng khi thợ lặn không thấy rò rỉ cát tại bất cứ vị trí nào dọc tuyến tường cừ; biến dạng thực đo tại các khớp nối cũng trong mức cho phép.
• Hệ thống cọc ống phía trước đang có hệ số huy động rất cao, thậm chí ở một số vị trí đã vượt quá 100%. Dự kiến nếu có thêm tải khai thác từ cần trục và hệ thống bãi chứa phía sau, hệ số huy động của khoảng 30% hàng cọc ống sẽ vượt quá 100% từ đó có khả năng gây ra mất an toàn.
Ngoài ra, chúng tôi còn đưa ra thêm một số nhận định:
• Hệ thống bản neo vẫn còn đủ khả năng chịu lực kể cả trong điều kiện khai thác. Tuy nhiên tại một số vị trí neo hoạt động không hiệu quả do phần bản neo không được ngàm chắc vào đất.
• Một phần hàng cọc ống phía biển dù hiện có hệ số huy động cao nhưng vẫn chưa bị biến dạng dẻo vì thế có thể xử lý khôi phục để tiếp tục sử dụng.
• Hệ số an toàn địa kỹ thuật tổng thể vẫn nằm trong giới hạn cho phép với các tải thi công như hiện tại. Với điều kiện tải khai thác, nhiều khu vực bến vẫn đảm bảo an toàn.

Phạm vi an toàn cho khai thác / Safe area for operation

Sau khi tiến hành các phân tích địa kỹ thuật và kiểm tra khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu, khu vực bến được chia thành ba (03) vùng theo độ an toàn để hoạt động như sau:
• Khoảng 1/3 khu vực phía bên trái, có chiều dài lớp đất bùn sét yếu tương đối lớn và hiện đang có chuyển vị đo được lớn, cần phải được gia cố do hiện tại hệ số huy động của tường cừ và cọc ống tương đối cao và sẽ vượt quá 100% trong giai đoạn khai thác.
• Khoảng 1/3 khu vực giữa, nơi chiều dày lớp đất yếu giảm dần, sẽ an toàn với các tải trọng khai thác. Cần lưu ý ngoài các tải trọng đã nêu ở phía trên, các tải trọng do neo đậu các tàu công-ten-nơ và tàu chở hàng khác nhau cũng được kể đến để kiểm tra khả năng làm việc thực tế.
• Khoảng 1/3 khu vực phía bên phải thì hiện chưa có kết luận chính thức do không có dữ liệu địa kỹ thuật. Tuy nhiên dựa vào xu thế giảm chiều dày lớp đất yếu và số liệu đo chuyển vị tường cừ thấp, khả năng cao là khu vực này cũng sẽ an toàn trong quá trình khai thác.

Mặc dù đơn vị tư vấn ban đầu không đồng tình với kết luận rằng khu vực bên trái là không an toàn trong quá trình vận hành, yêu cầu thử tải theo tiêu chuẩn Eurocodes của chúng tôi đã không được đáp ứng vì bản thân đơn vị tư vấn ban đầu lẫn chủ đầu tư đều không tìm ra lý do phản bác kết luận của chúng tôi. Sau đó các bên đã thống nhất là sẽ đi tìm các giải pháp gia cố cho khu vực này.

Biện pháp gia cố / Reinformation options

Đơn vị tư vấn ban đầu đã đề xuất một loạt các giải pháp gia cố khác nhau cho khu vực được đánh giá là không an toàn trong giai đoạn khai thác. Ba giải pháp được chọn để thẩm tra được đưa ra ở trên hình 13. Về cơ bản các giải pháp này đều dựa vào hai cơ chế chính như sau:
• Tăng khả năng giữ đất của tường cừ bằng cách thi công thêm hệ thống neo khoan phụt bê tông cùng với dầm giằng (phương án 1 và 2) hoặc thi công thêm hệ thống bản neo đất cùng với dầm giằng (phương án 3). Kèm với đó, phương án 2 còn đề xuất tiến hành khoan trộn thêm bê tông vào sét bùn yếu phía trước tường cừ.
• Giảm áp lực trực tiếp lên khối đất nhằm giảm áp lực lên tường cừ và cọc ống bằng cách thi công thêm hệ cọc – bản bê tông. Phương án 1 sử dụng hệ ba cọc đơn với bản bê tông nằm giữa hai hàng cọc ống để giảm áp lực lên cọc ống phía trước; trong khi phương án 2 và 3 sử dụng hệ thống cọc và bản bê tông ở giữa hai hàng cọc ống và cả phía sau hàng cọc ống phía đất liền.

Dẫu cho việc thi công hệ thống neo và dầm giằng dưới nước có thể thực hiện được (theo đề xuất phương án thi công và báo giá của một số đơn vị), việc kéo lại tường cừ khi nó đã bị quá ứng suất không mang lại hiệu quả mà thực tế là có thể tăng thêm mô men uốn trong cừ cũng như gia tăng tải trọng đứng lên chân cừ (quan sát thấy trong mô hình tính toán). Tương tự như vậy, việc thi công thêm hệ thống cọc và bản bê tông cũng chỉ phần nào làm giảm áp lực lên cọc ống trong quá trình khai thác chứ không làm giảm hệ số huy động trong những hàng cọc bị quá ứng suất như hiện tại (quan sát thấy trong mô hình tính toán). Chưa kể là công tác thi công có thể gây thêm các rủi ro không cần thiết lên hệ tường cừ – cọc ống.
Để khu vực bờ trái có thể hoạt động an toàn trong quá trình khai thác, một trong những ưu tiên hàng đầu trong việc xử lý sự cố là làm giảm áp lực lên hệ tường cừ – cọc ống và đưa chúng trở lại vị trí ban đầu; vì thế chúng tôi đề nghị đào bớt khối đất đắp phía sau; điều này cũng cho phép kiểm tra thực địa tình trạng hàng cọc ống phía biển. Với cách tiếp cận này chúng tôi đề xuất hai giải pháp sau:
• Giải pháp 1: thi công thêm hàng cọc neo chéo với phần khoan phụt chịu lực nằm sâu trong lớp đất pha sét nửa cứng, một phần đất đắp sát hệ tường cừ-cọc ống sẽ được thay thế bằng đá đổ (hình 14, bên trái).
• Giải pháp 2: đào bỏ một phần lớn đất đắp, tái sử dụng hai hàng cọc ống trong kết cấu bến trên nền cọc mới, các cọc đứng và nghiêng mới sẽ được lắp đặt thêm để tăng thêm khả năng chịu lực ngang (hình 14, bên phải).

Kết luận / Conclusions

Thông qua phân tích độ nhạy các thông số địa kỹ thuật của đất nền / đất đắp và các thông số kết cấu của hệ thống tường cừ – cọc ống – neo đất, một số nguyên nhân gây ra hiện tượng chuyển vị lớn của tường cừ đã được tìm ra, trao đổi và thống nhất. Các nguyên nhân này liên quan đến phương án thiết kế với các giả thiết có thể đã không thành hiện thực trong quá trình thi công. Việc thông số địa kỹ thuật không nhất quán và thiếu sót cũng góp phần lớn trong sự cố này. Các giải pháp xử lý cũng được phân tích cẩn thận về mặt kỹ thuật và khả năng thi công để có thể tiến hành mời thầu trong tương lai gần.

Lời cảm ơn / Acknowledgement

Chân thành cảm ơn công ty HaskoningDHV Vietnam đã cho phép sử dụng một số thông tin và hình ảnh trong các báo cáo phân tích để làm nội dung cho bài báo này. Tuân thủ các yêu cầu bảo mật về khách hàng, nhiều thông tin chi tiết đã không được đưa ra theo đúng quy định của công ty.

Nguyễn Thành Chí

HaskoningDHV Vietnam.

Email: [email protected]

Trương Trọng Quý

HaskoningDHV Vietnam.

Email: [email protected]

Nguyễn Văn Cường

HaskoningDHV Vietnam.

Email: [email protected]