iBDJ (inclined BDJ) technology for improving the ground under existing structures
GIỚI THIỆU
Công nghệ phụt vữa đường kính lớn, Big Diameter Jet (BDJ) grouting, về nguyên lý là phương pháp Jet grouting ba pha sử dụng áp suất cực cao để phun vật liệu tạo cọc xi măng đất đường kính lớn, có thể lên tới 5.5 m. Phương pháp này được phát triển và áp dụng rộng rãi ở Nhật Bản trong hơn một thập kỷ (Kawasaki et al. 2009, Kihara et al. 2013, Takahashi et al. 2013). Hiện nay, phương pháp này đang được áp dụng tại Việt Nam từ năm 2015 dưới sự hợp tác của tập đoàn FECON và Công ty RAITO KOGYO.
Tại các khu vực nhà ga số 10 và số 11 thuộc dự án tuyến tàu điện ngầm Metro line số 3 Hà Nội, phương pháp BDJ được áp dụng để gia cố đất tại các điểm “Break-in” (điểm tiến vào của máy TBM) và “Break-out” (điểm đi ra của máy TBM) tại các nhà ga. Một số tòa nhà hiện hữu của dân nằm ngay phía trên các điểm Break-in và Break-out này khiến việc thi công cọc BDJ thẳng đứng truyền thống là không thể thực hiện được. Vì vậy, yêu cầu đặt ra phải có được một phương pháp thi công phù hợp để đảm bảo không ảnh hưởng đến các công trình hiện hữu của người dân. Từ bài toán thực tế này, giải pháp cọc BDJ nghiêng (inclined BDJ hay iBDJ) được đề xuất thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi thực tế. Hình 1 dưới đây mô tả nguyên lý của phương pháp iBDJ tạo khối gia cố bên dưới một số tòa nhà hiện hữu.
Báo cáo này trình bày dự án thi công thử nghiệm cọc iBDJ trên tuyến Metroline No. 3, nhấn mạnh đến kỹ thuật thi công và thí nghiệm đảm bảo chất lượng cọc. Ngoài ra,bài báo cũng trình bày ngắn gọn thông tin về gói dự án sắp thi công thực tế trên tuyến Metro line số 3, Hà Nội.
THI CÔNG THỬ NGHIỆM iBDJ
Thi công khoan phụt khối gia cố
Dự án thử nghiệm iBDJ được tiến hành tại khu vực thi công nhà ga số 12 thuộc dự án Metro line số 3 Hà Nội (Kirimura et al. 2020). Vùng thử nghiệm gia cố nằm trong lớp cát chặt bão hòa nước ở độ sâu 35 m, tương ứng với độ sâu tối đa của khu vực cần gia cố thực tế. Khối gia cố thử nghiệm có hình lập phương với kích thước mỗi cạnh 3.0 m (Hình 2a), cấu tạo nên từ 14 trụ khoan nghiêng. Hình 2b thể hiện mặt cắt vuông góc với các khối trụ.
Số lượng cọc được thi công thử nghiệm thực tế là 10, ít hơn 4 cọc so thiết kế ban đầu để rút ngắn thời gian thi công. Các thông số thi công được thống kê ở Bảng 1. Các cọc iBDJ thử nghiệm được thi công với góc nghiêng từ 39 độ đến 45 độ với tổng chiều dài khoan trung bình là 49 m (Hình 3). Các cọc iBDJ có đường kính là 1.6 m và có chiều dài dao động trong khoảng 3 tới 5 m tùy vị trí (Hình 3). Thông số chi tiết của các cọc được thống kê trong Bảng 2. Hình 4 thể hiện công tác khoan tại hiện trường.
Bảng 1. Thông số thi công thử nghiệm iBDJ
| Loại vữa | W/C (L/kg) | Tỷ trọng vữa | Tốc độ phụt (L/phút) | Áp lực phụt (MPa) | Tốc độ rút cần (phút/m) | Tốc độ quay (rpm) |
| Vữa xi măng | 750/750 | 1.52 | 190 | 40 | 10 | ≥4 |
Bảng 2. Thông số các cọc thí nghiệm
| Số hiệu | Góc khoan (°) | Chiều dài khoan (m) | Chiều dài cọc (m) |
| A-1 | 45 | 49.60 | 4.80 |
| A-2 | 43 | 49.65 | 5.30 |
| A-3 | 41 | 48.94 | 4.70 |
| B-2 | 43 | 49.13 | 5.30 |
| B-3 | 41 | 48.63 | 4.90 |
| B-4 | 39 | 47.58 | 3.80 |
| C-2 | 43 | 49.65 | 3.07 |
| C-3 | 41 | 48.94 | 3.05 |
| D-3 | 41 | 48.63 | 4.90 |
| D-4 | 39 | 47.58 | 3.80 |
Kiểm tra chất lượng cọc
Sau khi thi công 21 ngày, công tác lấy mẫu lõi và các thí nghiệm hiện trường đã được thực hiện. Việc lấy mẫu được thực hiện bằng một lỗ khoan thẳng đứng có độ sâu 34.59 m (Hình 5) và đoạn mẫu được lấy có tổng độ dài là 2 m (Hình 6). Kết quả khoan lõi cho thấy giá trị TCR (Total core recovery) đạt 88 đến 90% (Bảng 3).
Bảng 3. Kết quả khoan lõi tại hiện trường
| Cao độ (m) | Chiều sâu khoan (m) | TCR (%) | |
| Mặt đất | 6.35 | ||
| Phần mẫu trên | -26.24 to -27.24 | 33.59 | 88 |
| Phần mẫu dưới | -27.24 to -28.24 | 34.59 | 90 |
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm UCS và thí nghiệm thấm
| Hố khoan | Tuổi mẫu | UCS (qu) | Hệ số thấm (klab) trong phong | Hệ số thấm (kField) hiện trường |
| day | MPa | m/s | m/s | |
| C3 | 35 | 6.76 | 0.96 x 10-8 | 0.78 x 10-8 |
Kết quả thí nghiệm nén 1 trục nở hông (qu) và hệ số thấm trong phòng (kLab) và hiện trường (kField) được thống kê trong Bảng 4. Các kết quả về chất lượng mẫu đều đạt yêu cầu đối với dự án, cụ thể: TCR >= 85%, qu >= 2 MPa và k <= 1.0 x 1E-7 m/s.
CẢI TIẾN KỸ THUẬT
Cải tiến đầu phun
Phương pháp phụt thẳng áp lực cao sinh ra một lượng bùn nhất định trào ngược lên mặt đất (Hình 7.) Lượng bùn dư này được thu gom và đổ thải ở nơi cho phép.
Khi đầu phụt (monitor) truyền thống (tia phụt vuông góc với cần khoan) được sử dụng, một lượng bùn khoan trộn với khí sẽ hình thành và nằm lại trong cọc như minh họa trong hình 8. Vùng bùn khoan và khí này có cường độ rất yếu, có thể gây sụt lún nền đất và công trình bên trên. Vì vậy cần phải có biện pháp khắc phục nhược điểm này. Từ yêu cầu thực tế này, các kỹ sư RFU đã cải tiến đầu phụt, tạo nên một hướng phụt chếch xuống 45o so với phương nằm ngang. Nguyên lý và minh họa cho cái tiến này được thể hiện trong Hình 9.
Kết quả của việc điều chỉnh này là khi góc nghiêng nhỏ hơn 45 độ, vật liệu phun vữa không sẽ không phun cao hơn vị trí vòi phun và hạn chế việc hỗn hợp bùn khí bị ứ đọng lại (Hình 10).
Ống vách định hướng
Do việc khoan nghiêng khiến cho thành lỗ khoan thiếu ổn định và dễ sập hơn so với việc khoan thẳng đứng, công tác lắp đặt ống vách định hướng cần được thực hiện để giải quyết vấn đề này. Ưu điểm của việc sự dụng ống vách là ngăn cho thành lỗ khoan không bị sập và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi dòng bùn trở lên mặt đất. Khi thi công, cần khoan được đưa vào trong ống vách định hướng. Do đường kính của cần khoan là 103 mm nên đường kính của ống vách định hướng được sử dụng là 220 mm để đảm bảo có đủ không gian đưa dòng bùn trở lên mặt đất (Hình 11).
DỰ ÁN TRIỂN KHAI THI CÔNG CỌC iBDJ TẠI GA 10 VÀ GA 11, ML số 3 Hà Nội
Dự án tuyến đường sắt đô thị Nhổn – Ga Hà Nội (Metro line số 3) do Ban Quản lý Đường sắt đô thị Hà Nội (UBND Thành phố Hà Nội) làm Chủ đầu tư. Tuyến có tổng chiều dài 12.5 Km trong đó đoạn đi trên cao 8.5 Km và đoạn đi ngầm 4.5 Km (Hình 12). Toàn tuyến đi qua 12 nhà ga, bao gồm 8 ga trên cao (Nhổn, Minh Khai, Phú Diễn, Cầu Diễn, Lê Đức Thọ, Đại học Quốc gia Hà Nội, Chùa Hà, Cầu Giấy) và 4 ga ngầm (Kim Mã, Cát Linh, Văn Miếu, ga Hà Nội), trong đó có 2 ga kết nối trung chuyển. Trong đó, đoạn đi ngầm sẽ được thi công đào hầm bằng công nghệ thi công hầm bằng TBM.
Công nghệ BDJ đã và đang được thi công gia cố nền đất tại các điểm “Break-in”, “Break-out” và đáy nhà ga (bottom plug) như thể hiện trong Hình 12. Tổng khối lượng các cọc BDJ là 22,270 m với hầu hết đường kính D = 2700 mm. Sau khi thử nghiệm thành công như trình bày ở trên, phương pháp iBDJ được chấp thuận triển khai thực tế (năm 2023) tại các điểm “break-in” và “break-out” trên tuyến TBM số 1 (Track 1) tại ga số 10 và 11, nơi có một số tòa nhà hiện hữu nằm trên điểm vào ra của TBM . Tổng khối lượng các cọc iBDJ được thống kê trong Bảng 5.
Bảng 5. Khối lượng và thông số cọc iBDJ tại dự án metro line 3
| Khu vực gia cố | Số lượng cọc | Đường kính cọc (m) | Tổng chiều dài thiết kế (m) | Độ nghiêng (vs phương ngang) | Độ sâu gia cố dự kiến (m) |
| Lối vào ga số 10 | 97 | 1.6 | 711.2 | 730 | -4 m đến -15 m |
| Lối ra ga số 10 | 128 | 1.6 | 862.0 | 450 – 840 | -4 m đến -14 m |
| Lối vào ga số 11 | 157 | 1.6 | 1286.1 | 470 | -4 m đến -14 m |
| Lối ra ga số 11 | 120 | 1.6 | 864.5 | 630 | -5 m đến -15 m |
| Tổng | 502 | 3777.1 |
KẾT LUẬN
Công nghệ phụt vữa đường kính lớn (BDJ) là một công nghệ tiên tiến và đã được áp dụng gia cố nền tại một số công trình lớn của Vietnam. Công nghệ này được ứng dụng thi công gia cố nền tại các điểm “break-in” (nơi máy TBM bắt đầu khoan vào từ nhà ga), “Break-out” (nơi máy TBM kết thúc và đi ra nhà ga) và đáy nhà ga dọc theo đoạn ngầm của tuyến Metro Line số 3, Hà Nội. Tại một số điểm “Break-in” và “Break-out”tại ga số 10 và 11,công nghệ BDJ khoan phụt đứng không thể thực hiện được do có các tòa nhà hiện hữu nằm phía trên các điểm cần gia cố. Trong điều kiện này, các kỹ sư FECON RAITO đã nghiên cứu và thử nghiệm khoan phụt nghiêng tạo cọc iBDJ (inclined BDJ). Bài báo này trình bày ngắn gọn dự án thử nghiệm khoan phụt cọc iBDJ tại ga số 12. Một số thông tin nhấn mạnh trong bài báo bao gồm: khối gia cố và chi tiết các cọc nghiêng, công tác khoan lõi và thí nghiệm cường độ lõi mẫu, một số cải tiến kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng cọc.Từ kết quả thử nghiệm thành công cho thấy iBDJ là phương pháp hữu dụng phù hợp cho mục tiêu xử lý nền bên dưới các công trình hiện hữu. Dự án thử nghiệm cũng như khối lượng triển khai thực tế tại Metro Line số 3 sẽ là kinh nghiệm quý giá để chinh phục nhiều dự án khó trong tương lai.
Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Hoàng
Ban R&D, FECON Corp., E-mail: [email protected]
Đỗ Ngọc Phong ,
Phòng kỹ thuật, FECON RAITO, E-mail: [email protected]
LỜI CẢM ƠN
Các tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn đến các kỹ sư và tập thể của RAITO và FECON đã cho phép sử dụng các thông tin và hình ảnh về BDJ và iBDJđể các tách giả có thể hoàn thiện bài báo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Kawasaki H., Izumi M., Fuji S., and Fujisawa N. (2009). Fast job using the jet grouting technique. Fundamental Engineering, The publich Works Research Institute, 37(5): 69-74.
Kihara Y., Fujimoto H., Shimotoku, N. and Nagashaki, Y (2013). Trial construction of high strength jet grouting for low-disposal and low-displacement type. The 68th JSCE Annual Meeting, pp. 595-596 (in Japanese).
Kirimura, T., Do N.P., Nguyen M.C. (2020). Notices on soil treatmen by inclined jet grouting technology. In the proceedings of the 5th FECON Construction Technology Summit, 13th Nov, 2020, Hanoi.
Takahashi T., Hukuya S. and Nagasaki K. (2013). Quay wall seismic reinforcement work by jet grouting method in offshore construction. The 68th JSCE Annual Meeting, pp. 601-02 (in Japanese).
