Giải pháp Tường chắn đất cho công trình Lideco Hạ Long trong điều kiện địa hình sườn dốc có độ nghiêng lớn và gặp đá sớm

2

Retaining wall for Lideco Halong project

Giới thiệu dự án

Dự án Lideco Hạ Long xây dựng tại phường Trần Hưng Đạo, TP. Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh. Phía Bắc giáp đường nhỏ vào khu dân cư và nhà hàng Hương Lan. Phía Nam giáp đường bê tông vào khu dân cư và khối nhà cao 21 tầng đang xây dựng của Công ty cổ phần 508. Phía Đông giáp với đường Trần Hưng Đạo, thành phố Hạ Long. Phía Tây tiếp giáp với sườn dốc và ngăn cách với khu dân cư bằng con đường bê tông dân sinh và cũng là đường lên Trường THCS Kim Đồng. Ngoài ra, còn có lối lên trường THCS Kim Đồng là cầu thang xây bằng xi măng. Đây là khu vực có trụ sở nhiều cơ quan như Ngân hàng Nông Nghiệp, Ngân hàng BIDV, Bảo hiểm xã hội Quảng Ninh. Dự án bao gồm 02 tòa tháp cao 30 tầng và 01 khối đế với 02 tầng hầm. Trong đó vị trí đào sâu nhất là 9.4m so với mặt đất hiện hữu.

Điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn

Về địa hình: khu vực xây dựng phần phía Tây là địa hình đồi cao cấu tạo bằng đá gốc và các sản phẩm phong hóa từ đá gốc của hệ tầng Hòn Gai gồm chủ yếu là: đá cát kết, bột kết, sạn kết, cuội kết; phần phía đông địa hình thấp và bằng với đường Trần Hưng Đạo, một phần được lấp đầy bằng vật liệu thải như xỉ than, đá vụn do quá trình cải tạo và hoạt động nhân sinh từ nhiều năm. Công trình xây dựng nằm trên phần tiếp giáp giữa chân đồi và phần trũng lấp đầy các vật liệu nhân sinh, địa tầng không đồng nhất. Do vậy công tác thiết kế xây dựng cần được chú trọng đặc biệt vừa phải đảm bảo công trình có nền móng ổn định vững chắc vừa đảm bảo tính hiệu quả kinh tế.
Về địa chất: Trong quá trình khảo sát địa chất của dự án, nhận thấy địa tầng khu vực khảo sát là các đá cát kết, sạn kết, cuội kết và bột kết, sét kết chứa vật chất than thuộc hệ tầng Hòn, trong địa tầng này hoàn toàn không có các hang hốc karsto phát triển. Các lớp đất đá là các sản phẩm phong hóa sườn tích, tàn tích tại chỗ từ đá gốc và chuyển dần xuống đá móng. Về cấu tạo địa chất chung khu vực có thể nhận thấy có sự phân dị khá rõ ràng, tại những phần địa hình cao là các đồi cấu tạo bằng đá cứng gồm cuội kết, sạn kết, cát kết, xen kẽ; các phần địa hình thấp tương đối là nơi tập trung dân cư cấu tạo nền là đá bột kết, sét kết mềm yếu hơn.
Cụ thể chi tiết các lớp đất được phân chia từ trên xuống dưới như sau:
Lớp 1: Đất bề mặt và san lấp nhiều thành phần
Nằm trên cùng của mặt cắt, lớp đất bề mặt có sự khác nhau tại các lỗ khoan bề dày lớp chỉ từ 0.4m đến 0.7m, thành phần là đất san lấp từ sườn đồi gồm sét lẫn sạn, mảnh đá vụn phong hóa dùng làm nền nhà và đường dân sinh
Lớp 2: Đất dăm sạn lẫn sét pha và các mảnh đá vụn phong hóa, đất tan rã mạnh. Lớp tập trung chủ yếu ở địa hình cao và sườn dốc. Lớp này ở phần cao cần chú ý sạt lở khi ngấm nước về mùa mưa, do hàm lượng sét ít nên khả năng ổn định và kết dính kém.
Lớp 3a: Đất sét pha lẫn dăm sạn, trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng, đôi chỗ cứng, đất tan rã mạnh. Lớp 3a có diện phân bố không đều trong diện tích, gặp ở 8/11 lỗ khoan khảo sát. Đất thuộc loại không trương nở nhưng tan rã mạnh.
Lớp 3b: Đất sét pha phong hóa từ đá sét kết, bột kết trạng thái cứng, đất tan rã mạnh. Lớp 3b chỉ quan sát được tại 5/11 lỗ khoan khảo sát. SPT thay đổi, N = 20 – >50, đất cứng chắc.
Lớp 4a: Đá cuội kết, sạn kết cấu tạo phân lớp, kiến trúc hạt vụn, phong hóa đập vỡ, nứt nẻ rất mạnh đến mãnh liệt, màu đỏ vàng loang lổ. Thành phần lớp là Đá cuội kết, sạn kết cấu tạo phân nhịp. Giá trị SPT rất cao N >100
Lớp 4: Đá cuội kết, sạn kết cấu tạo phân lớp, kiến trúc hạt vụn thô, phong hóa trung bình đến mạnh, màu xám trắng, xám vàng. Chúng chính là thành phần cấu tạo nên quả đồi ở phía Tây khối nhà. Trên mặt cắt, lớp đá này cũng có dạng uốn lượn theo địa hình với phần trung tâm vào ở khoảng trung tâm khối nhà. Thành phần đá ở khu vực là cuội kết, sạn kết, cát kết và bột kết, sét kết.
Lớp 4b: Đá bột kết, sét kết cấu tạo phân lớp, kiến trúc hạt nhỏ, phong hóa mạnh đến mãnh liệt, màu xám vàng. Nằm xen trong lớp đá cuội kết, sạn kết 4.
Lớp 4c: Đá cát kết, sạn kết cấu tạo phân lớp, kiến trúc hạt nhỏ, đá rắn chắc màu xám ghi, phong hóa trung bình, Nspt > 100.
Lớp 5: Đá bột kết, Sét kết chứa vật chất than màu xám ghi, xám đen, phong hóa mạnh đến mãnh liệt thành sét lẫn dăm sạn trạng thái cứng. Đất còn giữ nguyên cấu trúc đá gốc, độ tan rã mạnh

Hình 1. Công trình sau khi hoàn thành
Hình 2. Mặt cắt địa chất điển hình

Về thủy văn: Trong quá trình khảo sát địa chất của dự án nhận thấy nước thấm từ tầng đá cuội kết, sạn kết vào hố móng không nhiều, mực nước ngầm ổn định chỉ cách mặt địa hình hiện tại khoảng 3m (cao độ +2.0m). Phía Đông khối nhà chạy dọc theo đường Trần Hưng Đạo có lớp đất lấp gồm chủ yếu là xỉ than và phế thải có bề dày trung bình 3.5m, nước tàng trữ trong phần này dễ gây sập lở thành vách hố đào và chảy vào hố móng.

Các thách thức đặt ra

Trong quá trình thiết kế phần tường chắn đất và taluy phía Tây công trình, cần chú ý đến hiện tượng sạt lở đất, nhất là tại lớp Đất dăm sạn lẫn sét pha số 2. Lớp này có khả năng thấm nước tốt, độ tan rã mạnh, mức độ gắn kết kém dễ gây mất ổn định, sạt lở về mùa mưa hay khi ngấm nước. Sự bất lợi về sườn dốc và mức độ phong hóa dập vỡ, nứt nẻ rất mạnh đến trung bình liên tục thay đổi do ảnh hưởng của sự xen kẹp lớp đất đá có thành phần thạch học và tính chất cơ lý khác nhau, nên khi tính toán ổn định sườn dốc cần đặc biệt lưu ý.
Một điểm cần lưu ý khác, trên sườn dốc có nhiều nhà dân xây dựng và trường THCS Kim Đồng. Bên cạnh đó toàn bộ 2 hầm và một phần đáng kể của 02 tầng khối đế nằm sát vào sườn dốc (đồi). Khi xây dựng công trình phải xẻ một phần của đồi và phải đảm bảo an toàn cho công trình hiện hữu cũng như bản thân công trình xây mới Lideco Hạ Long.

Hình 3. Mặt cắt vị trí sườn dốc và công trình

Nội dung các giải pháp

Đánh giá lựa chọn giải pháp

Yêu cầu đặt ra trên cần phải có giải pháp phù hợp trong quá trình thi công công trình nói chung và hố đào (tầng hầm) nói riêng phù hợp với điều kiện địa chất công trình, cũng như tính khả thi của biện pháp thi công.

Giải pháp chống trượt cho sườn dốc:

Hiện tượng sụt trượt đất đá từ các bờ dốc không chỉ xuất hiện phổ biến trên các tuyến đường giao thông vùng núi, mà còn ở công trình xây dựng và khu dân cư ở miền núi, khu vực bờ sông, bờ biển… Không chỉ đa dạng về loại hình mất ổn định (đất sụt, đất trượt, đá trượt, đá lở, đá rơi…); đa dạng về quy mô (từ nhỏ đến lớn khối lượng đất đá ) mà còn rất phức tạp về đặc điểm (như trượt nông, trượt sâu, tốc độ trượt nhanh, trượt chậm).
Biện pháp phòng chống mất ổn định đất đá trên bờ dốc được áp dụng phổ biến hiện nay ở nước ta là các nhóm giải pháp như: đào hạ thấp hay tạo nhiều cơ nhằm giảm tải đất đá trên bờ dốc, tạo phản áp chân bờ dốc; kết cấu tường chắn cứng (tường kè) (bê tông, bê tông cốt thép, cọc bê tông cốt thép, cọc thép, đá xây…) hay tường mềm (rọ đá, rọ đá có neo, tường bằng đất kết hợp cốt vật liệu khác nhau…) hay tường mềm (rọ đá, rọ đá có neo..), các giải pháp kiểm soát thoát nước mặt và nước ngầm ở chân dốc.
Như điều kiện địa hình nêu trên, khu vực dự án thuộc phần địa hình chuyển tiếp từ phần thấp chân đồi lên sườn đồi, địa hình có chênh cao khá lớn từ cao độ +5.0m bằng với đường Trần Hưng Đạo lên đến cao độ +19.41m tại chân dốc bậc thang lên trường THCS Kim Đồng. Từ đường lên trường chuyển lên mái dốc taluy lên đến sườn đồi (cao độ +32m) và cao nhất là sân trường THCS Kim Đồng cao độ khoảng cao độ +35m. Sườn dốc hiện tại từ 450 đến 650 thuộc loại sườn cực kỳ dốc (theo phân loại sườn dốc). Tư vấn thiết kế nhận thấy giải pháp cần được tính đến như: Cọc chống trượt có mũi cọc ngàm đá, tường kè dạng đá hộc hoặc bê tông, tường bê tông cốt thép có neo trong đất … Với điều kiện địa hình nghiêng, dốc công tác máy thi công gặp khó khăn và gần như không triển khai được do vậy việc sử dụng máy khoan để thi công hệ cọc chống trượt là không khả thi. Bên cạnh đó khi công trình sẽ xẻ một phần sườn dốc (đồi) khiến độ dốc tại vị trí tiếp giáp công trình gần như thẳng đứng và độ chênh cao khoảng 15m. Nên tường kè dạng đá hộc không thể đảm bảo về mặt an toàn. Để công tác thi công có thể triển khai được cũng như đảm bảo tính toán an toàn, Tư vấn thiết kế chọn giải pháp dùng tường kè bê tông cốt thép để chắn đất phần sườn dốc lối lên trường học, kết hợp với hệ cọc Secant pile có neo trong đất để tạo ổn định sườn dốc và tạo mặt bằng thi công cho hệ tường chắn đất phần ngầm.

Hình 4. Giải pháp chống trượt cho sườn dốc

Giải pháp chắn giữ hố đào (khi thi công tầng hầm)
Các giải pháp kết cấu chắn giữ trong quá trình thi công hố đao sâu thường được sử dụng hiện bao gồm: Cừ Larsen, Tường vây (tường barrette), Cọc cừ bê tông cốt thép dự ứng lực, Cọc khoan nhồi Secant pile…Tuỳ vào từng điều kiện cụ thể sẽ lựa chọn kết cấu chắn giữ phù hợp.
Dự án ở đây có hai tầng hầm, độ sâu đào hố móng từ vỉa hè hiện tại (cao độ +5.0m) xuống khoảng 9m và phải đào phá trong lớp đá cuội kết phong hóa 4a và 4. Phần trung tâm giữa hai khối nhà sẽ gặp lớp cuội kết, sạn kết rắn chắc nhất; các phía Bắc và Nam khối nhà đá phong hóa mạnh (lớp 3a và 3b). Các lớp đất đá này khiến cho việc thi công biện pháp chắn giữ hố đào bằng cừ thép Larsen, Cọc bê tông cốt thép dự ứng lực không thể ép qua và ngàm vào sâu dưới đáy hố đào. Khả năng liên kết cũng như tính đồng bộ với giải pháp chốn trượt sườn dốc nêu trên gặp nhiều khó khăn.
Tương tự với tường Barrette thường sử dụng chủ yếu là trọng lượng của gàu đào để cạp đất, trong trường hợp gặp lớp đá cuội kết có độ rắn chắc cao gàu đào sẽ không cạp được. Trên thế giới đã có thiết bị gàu đào chuyên dụng để phá đá. Tuy nhiên thời gian thi công sẽ kéo dài và chi phí tăng lên rất nhiều do chưa phổ biến trên thị trường Việt Nam.
Để thoả mãn các điều kiện trên Tư vấn thiết kế lựa chọn giải pháp tường chắn đất cọc khoan nhồi Secant pile. Bởi khả năng khoan xuyên quả các lớp đất đá rắn chắc, tính cách nước cao, khả năng chịu lực khi kết hợp với hệ neo đất, thanh chống…là rất tốt. Bên cạnh đó hiện nay các biện pháp thi công cọc khoan nhồi nói chung và cọc khoan nhồi Secant pile nói riêng trong điều kiện gặp địa chất đá rắn đã tương đối phổ biến tại Việt Nam. Các đơn vị thi công như Fecon, Duafat…luôn có sẵn các thiết bị thi công cọc với các đường kính khác nhau với chi phí hợp lý. Do vậy giải pháp tường chắn đất bằng cọc khoan nhồi Secantpile là phù hợp nhất trong điều kiện của dự án.
Thực tế tại dự án Tư vấn thiết kế sử hệ tường chắn đất bằng cọc khoan nhồi (Secant pile) có đường kính 600mm có chiều sâu 11,0m so với mặt đất hiện trạng và cọc 1000mm có chiều sâu 16,0m cho kết quả tính toán và với chi phí được chủ đầu tư chấp thuận.

Hình 5. Chi tiết tiếp xúc giữa 02 cọc D1000 và D600

Tính toán giải pháp được chọn

Trong tính toán, để tăng mức độ an toàn, chúng tôi dựa vào các hố khoan HK-4, 11 và HK-06 mà theo nhận định của chúng tôi là các hố khoan có điều kiện địa chất công trình bất lợi nhất.
Cọc khoan nhồi biện pháp D600 và D1000 chiều sâu tính từ mặt đất tự nhiên là 11.00m đến 16.00m. Bê tông dùng để thi công là bê tông mác M400(B30).
Phụ tải mặt đất tải trọng công trình liền kề và thiết bị thi công được qui đổi thành tải phân bố đều với cường độ lấy q = 10 ÷ 20kN/m2 và cách mép ngoài tường chắn là 1,5 ÷ 3,0m.

Tính toán trượt sườn núi

Sử dụng mô đun Slope stability trong bộ phần mềm Địa kỹ thuật Geo5 để kiểm tra, kết quả cho 3 trường hợp: 1) Chưa có hệ kè bê tông cốt thép chắn đất; 2) Hoàn thiện hệ kè bê tông cốt thép chắn đất; 3) Hoàn thiện hệ cọc Secant pile bê tông cốt thép chắn đất. Từ kết quả kiểm tra nhận thấy hệ cọc Secant góp phần lớn khả năng kháng trượt trong sườn dốc.

Hình 6a. Ban đầu chưa có kè
Hình 6b. Khi hoàn thiện hệ kè
Hình 6c. Khi hoàn thiện hệ cọc

Tính toán hệ cọc secant pile

Kết quả kiểm tính có xuất hiện lực ngang tại chân kè bê tông P= 30T/m và được gán vào mô hình tính toán tại vị trí đỉnh cọc secant pile D1000.
Sử dụng mô đun Sheeting Check và Slope stability trong bộ phần mềm Địa kỹ thuật Geo5 để kiểm tra, kết quả cho các trường hợp thi công đào đất.

Hình 7a. Mô hình tính toán
Hình 7b. Biểu đồ bao nội lực
Hình 7c. Kiểm tra tiết diện
Hình 7d. Kiểm tra khả năng trượt

Kết quả và đánh giá

Qua quá trình phân tích nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Geo 5 modul Sheeting Design và Sheeting Check vài nhận xét được rút ra:
+ Taluy sườn dốc phía sau công trình khi sử dụng biện pháp gia cường bằng hệ tường kè bê tông cốt thép đảm bảo tính ổn định và bền vững. Kết hợp hài hoà với giải pháp tường chắn đất phía dưới;
+ Biện pháp tường chắn đất sử dụng Cọc khoan nhồi secant pile tiết diện D1000 và D600 Tư vấn thiết kế đưa ra đảm bảo tính khả thi. Quá trình thi công hố đào tầng hầm cho kết quả tường chắn đảm bảo khả năng chịu lực. Chuyển vị thành hố đào nằm trong giới hạn cho phép. Khảng năng cách nước của tường chắn rất tốt. Hố đào luôn được giữ khô ráo.
=> Kết luận: Việc sử dụng tường chắn đất bằng hệ cọc Secant pile khi thi công phần ngầm các công trình có địa chất gặp đá sớm và phức tạp như khu Quảng Ninh nói chung và tại Hạ Long nói riêng là khả thi. Thay thế các giải pháp truyền thống khác như tường cừ Larsen, tường barrette… là phù hợp. Có tính hiệu quả và có mức độ an toàn cao.

Một số hình ảnh dự án

Hình 8. Hình ảnh toàn bộ kè và hệ cọc Secant pile phía sau sát dự án
Hình 9. Kè và hệ cọc secant pile cọc 16m
Hình 10. Cọc Secant pile bê tông cốt thép trước và sau khi được neo
Hình 11. Không gian hầm khô do sử dụng hệ cọc secant pile

 

Nguyễn Hồng Văn

Công ty cổ phần Tư vấn đầu tư & Thiết kế xây dựng Việt Nam – CDC.

E-mail: van.nh@cdcjsc.vn

Dương Bá Bộ

Công ty cổ phần Tư vấn đầu tư & Thiết kế xây dựng Việt Nam – CDC.

E-mail: bo.db@cdcjsc.vn