Tiểu luận Môn học công trình ngầm - Chủ đề: Công nghệ hạ giếng chìm hơi ép

TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 1 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Giới thiệu Các công trình ngầm (CTN) dạng không gian lớp, gara ngầm, các giếng, các CTN để thông gió … thƣờng có kích thƣớc hạn chế trên mặt bằng và nằm trong khu vực đông dân có thể xây dựng bằng công nghệ hạ giếng. Thực chất của phƣơng pháp đó là: Các giếng hạ (có kết cấu là bê tông, bê tông cốt thép toàn khối hoặc lắp ghép) đƣợc xây dựng trên mặt đất và tiến hành đào đất trong lòng giếng để hạ giếng xuống độ sâu thiết kế. Việc hạ kết cấu xảy ra dƣới tác dụng của trọng lƣợng bản thân kết cấu, tải trọng chất thêm hoặc ép cƣỡng bức bằng các kích thủy lực hoặc tải rung. Ƣu điểm chính của công nghệ giếng chìm so với công nghệ đào mở:  Không cần chống giữ thành hố đào;  Giảm tối thiểu công tác đất;  Loại trừ tác động động lực lên đất nền móng của công trình lân cận;  CTN có thể xây dựng trong những điều kiện địa chất công trình và địa chất thủy văn phức tạp nhất;  CTN có thể xây dựng trong vùng chật hẹp kể cả khi cải tạo những nhà máy đang hoạt động. Móng giếng chìm hơi ép (MGCHE) là loại móng giếng chìm trong thi công hạ giếng sử dụng khí nén bơm ép đẩy nƣớc ra ngoài làm khô khu vực đào lấy đất ở dƣới đáy giếng. 1. Nguyên lý của phương pháp giếng chìm hơi ép (GCHE) Phƣơng pháp GCHE làm việc cùng nguyên lý nhƣ một chiếc cốc úp ngƣợc vào trong nƣớc: Nếu không khí không thoát ra khỏi cốc, một ít nƣớc sẽ vào trong cốc và áp lực không khí sẽ giữ nƣớc lại không cho vào tiếp…Không giống với trƣờng hợp giếng chìm hở, là một ống mở cả hai phía, GCHE có một khoang kín khí ở đáy móng, khí ép đƣợc bơm vào đó để ngăn nƣớc vào. Bên trong khoang này ngƣời ta đào đất giống nhƣ thi công trên mặt đất. Hình 1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của móng giếng chìm hơi ép TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 2 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Trong trƣờng hợp cốc kín đáy: 2 2 w 9.81 ( )( / )a lp p d d kN m    Trong trƣờng hợp ép khí nén vào trong cốc: 3 2 2 9.81a a ap p p p d     3 w2 9.81ap p d   Trong đó: d: Chiều dâu tính từ cao độ mặt nƣớc đến đáy cốc tính bằng (m) 2. Cấu tạo giếng chìm hơi ép Cấu tạo của móng giếng chìm hơi ép khác so với móng giếng chìm ở chỗ bổ sung thêm một tấm trần chia giếng thành hai phần:  Đáy giếng có chiều cao 1,8÷2,5m gọi là khoang làm việc là nơi ép khí nén tạo không gian khô ráo để đào đất, khoang này không có vách ngăn, thể tích làm việc của khoang đảm bảo tối thiểu 4m3 cho một ngƣời.  Phần thân giếng còn lại ở bên trên có cấu tạo hoàn toàn giống nhƣ móng giếng chìm. Trong giai đoạn thi công, khoang công tác liên hệ với không gian bên trên thông qua hai đƣờng ống có hệ thống cửa van luôn đóng kín để không thoát hơi ép, một hệ thống đƣờng ống dùng cho vận chuyển vật liệu (Material Lock), hệ thống đƣờng ống thứ hai có cầu thang dành cho ngƣời lên xuống làm việc (Man Lock) có chức năng là tăng hoặc hạ dần áp suất để cho cơ thể con ngƣời thích ứng dần với sự thay đổi áp suất của môi trƣờng trƣớc khi xuống khoang làm việc hoặc đi ra môi trƣờng bên ngoài. Khi giếng hạ đến cao độ thiết kế, khoang làm việc đƣợc lấp đầy bằng vữa bê tông mác cao. Thân giếng có thành giếng xung quanh bằng BTCT, bên trong chia thành nhiều khoang bởi các vách ngăn. Thân giếng đƣợc đúc nối dần theo quá trình hạ giếng. Trong thời gian thi công các khoang trong thân giếng dùng để lắp hệ thống đƣờng ống van. Trong trƣờng hợp không đủ trọng lƣợng để hạ tụt giếng, phần thân giếng bên trên phải chƣa nƣớc để gia tải. Sau khi hạ giếng đến cao độ thiết kế, ngƣời ta bơm hết nƣớc gia tải ra khỏi các khoang giếng, tháo dỡ hệ thống đƣờng ống và đổ lấp lòng thân giếng bằng cát sỏi, vữa bê tông mác thấp hoặc bằng nƣớc sạch. Bên trên đổ tấm nắp giếng có vai trò nhƣ bệ móng để đỡ thân trụ. TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 3 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 2: Cấu tạo móng giếng chìm hơi ép a) Trong giai đoạn thi công. b) Trạng thái hoàn thiện. 1-lƣỡi cắt; 2-thành giếng; 3-vách ngăn; 4-trần ngăn; 5-khoang làm việc; 6-ống van chuyển vật liệu; 7-ống van cho ngƣời xuống; 8-bê tông lấp đáy; 9-vật liệu lấp lòng; 10-nắp giếng; 11-thân trụ; 12-đào nhân tạo; 13-nƣớc gia tải. Điều kiện để giếng có thể tự chìm xuống nền sau khi đào bỏ bớt phần đất nằm dƣới chân giếng là lực làm chìm phải lớn hơn các lực cản lại, tức là thỏa mãn: wcQ Q T F P    Trong đó: Qc Trọng lƣợng giếng Qw Trọng lƣợng khối nƣớc gia tải T Lực ma sát thành giếng F Phản lực đất nền dƣới chân giếng P Lực đẩy do khí nén tác dụng lên đáy trần ngăn Để thỏa mãn điều kiện trên mà không làm thay đổi kết cấu giếng có bốn cách giải quyết: tăng lƣợng nƣớc gia tải Qw tạo bậc ở phía đáy giếng giảm diện tích tiếp xúc với nền vì thế giảm đƣợc T, đào bỏ hết đất phía dƣới chân giếng cho F=0, và cuối cùng là giảm áp suất khí nén mà trong thi công giếng chìm hơi ép gọi là biện pháp hạ giếng cƣỡng bức. TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 4 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 3: Các lực tác dụng lên giếng chìm hơi ép 3. Kỹ thuật đúc và hạ đốt giếng đầu tiên Thông thƣờng giếng chìm hơi ép đƣợc đúc tại chỗ, ở khu vực ngập nƣớc cần đắp đảo nhân tạo để có mặt bằng thi công. Hình 4: Đắp đảo Chiều cao của đốt giếng đầu tiên chọn trong khoảng từ 6÷8m. Do đó có tấm trần ngăn giữa khoang làm việc và phần trên của thân giếng nên đốt giếng đầu tiên đƣợc đổ bê tông thành hai đợt, đợt một đổ đến cao độ mặt trần, đợt hai đổ nốt chiều cao của đốt. Đốt giếng đúc trên nền cát và tựa trên các tấm kê, khi hạ giếng các tấm kê phải rút ra để chân giếng xén đất đƣa giếng tụt sâu vào trong nền. Các tấm kê sử dụng tƣơng tự nhƣ trong đúc móng giếng chìm, làm bằng lớp đệm bê tông đổ tại chỗ hoặc các thanh TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 5 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD gỗ kê bố trí theo chu vi chân giếng, cũng có thể thay tấm bê tông đúc tại chỗ bằng các tấm bê tông đúc sẵn. Hình 5: Chuẩn bị mặt bằng cho giếng chìm và đặt lƣỡi cắt Hình 6: Đặt lƣỡi cắt và tạo khoang làm việc Trình tự công nghệ đúc và hạ đốt đầu tiên bao gồm các bƣớc nhƣ sau:  Trên mặt bằng thi công đo đạc định vị các tim dọc và tim ngang của móng, căn cứ vào đƣờng tim xác định kích thƣớc đáy móng trên mặt bằng. Đào hố móng sâu 50cm và đắp cát thay thế. Đặt các tấm kê hoặc thanh kê theo đƣờng chân TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 6 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD của lƣỡi cắt sao cho chân giếng tựa vững lên các điểm kê dƣới tác dụng của trọng lƣợng đốt giếng nhƣng có thể lấy ra khỏi chân giếng từ phía ngoài.  Vạch đƣờng bao chân giếng lên mặt các thanh kê. Dựa theo đƣờng bao, ghép các đoạn lƣỡi cắt đã đƣợc chế tạo sẵn thành hình dạng của đáy giếng, hàn chấm và bổ sung thêm các thanh chống để định hình kết cấu. Hàn các mối hàn chịu lực ở các mối nối giữa các đốt, phải có biện pháp khắc phục biến dạng do nhiệt độ mối hàn làm vênh vành đai lƣỡi cắt.  Dùng cá bao cát đắp chèn vào bên trong tạo thành lõi đất lấp kín khoang làm việc. Trƣờng hợp có sử dụng máy xúc lật làm việc bên trong khoang làm việc để đào đất thì phải lắp đạt hệ thống dầm ray của thiết bị này. Hình 7: Lắp đặt thanh ray  Phần thành nghiêng và thành đứng của mặt trong ván khuôn khoang làm việc dùng thép tấm 5÷8mm lát lên bề mặt lõi đất, mặt đáy củ ván khuôn trần ngăn dùng vữa bê tông đổ thành lớp lót chiều dày 10cm trên bề mặt lõi đất đã đầm kỹ và gọt phẳng. Khi đổ bê tông lớp này cần lƣu ý đặt các cửa ống Sharp Hình 8: Đặt cốt thép khoang làm việc TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 7 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 9: Lắp dựng cốt thép khoang làm việc và cốt pha  Lắp dựng khung cốt thép tấm trần và đốt giếng, đặt đƣờng ống cung cấp hơi ép và hệ thống đƣờng cáp truyền thông tin điều khiển với mặt đất. Lắp ván khuôn ngoài và đổ bê tông hết khoang làm việc bằng biện pháp đổ bê tông thƣờng. Khi cƣờng độ bê tông đạt 5Mpa tiến hành ghép tiếp ván khuôn thành và đổ nốt phần còn lại của đốt giếng. Hình 10: Lắp đặt ống đƣa ngƣời và vật liệu cùng các thiết bị khác TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 8 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 11: Lắp dựng ống vật liệu trƣớc khi lắp đặt Hình 12: Lắp đặt Man Lock và Material Lock TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 9 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 13: Đổ bê tông khoang làm việc  Khi cƣờng độ bê tông đạt 25% so với thiết kế có thể bóc dỡ các ván khuôn và khi đạt 70% cƣờng độ thiết kế tiến hành moi đất ra khỏi khoang làm việc. Các bao cát đƣợc lấy dần ra khỏi khoang giếng thông qua các cửa đƣờng ống đã đặt sẵn.  Rút các thanh kê khỏi đáy giếng làm cho giếng tựa hoàn toàn trên nền đất  Chuyển các bộ phận của máy xúc lật xuống lắp khoang làm việc và lắp ráp lại để hoạt động. Hình 14: Máy xúc lật chạy trên trần của khoang làm việc  Dùng máy đào hạ giếng xuống tiếp đến cao độ MNTC hoặc MNN thì dừng lại. TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 10 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 15: Tiến hành đào và hạ giếng trong khoang làm việc  Ép khí nén xuống khoang làm việc, đào đất và tiếp tục hạ giếng trong điều kiện đẩy nƣớc ra khỏi khu vực thi công bằng khí nén Hình 16: Chuẩn bị tới cao độ thiết kế TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 11 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 17: Trình tự các bƣớc đúc và hạ đốt chìm đầu tiên a- Lắp đặt lƣỡi cắt b- Đắp lõi khuôn khoang làm việc c- Đổ bê tông khoang làm việc d- Đổ tiếp bê tông đốt giếng e- Moi đất phá lõi khuôn f- Rút các thanh kê chân giếng g- Lắp ráp máy xúc lật và đào hạ đốt giếng xuống cao độ MNTC h- Lắp ráp hệ thống đƣờng ống van i- Đào hạ giếng chìm trong điều kiện nén khí ép 1 Thanh kê 2 Lƣỡi cắt 3 Đệm cát 4 Lõi đất 5 Ván khuôn trong 6 Bê tông lót đáy trần ngăn 7 Dầm ray 8 Đầu ống Sharp 9 Đƣờng ống cấp hơi ép 10 Đƣờng cáp truyền tín hiệu điều khiển 11 Đà giáo, ván khuôn ngoài 12 Máy xúc lật 13 Thùng chứa đất thải 14 Đƣờng ống vật liệu 15 Khoang chứa vật liệu (Material Lock) 16 Đƣờng ống có cầu thang cho ngƣời TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 12 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD 17 Khoang điều áp cho ngƣời (Man Lock) 18 Vành đai chống thoát khí nén 4. Đào đất trong khoang và làm chìm giếng Khác với hạ giếng chìm là đào đến đâu giếng tự chìm đến đó, giếng chìm hơi ép không đƣợc chìm trong khi đào mà phải chia thành hai công đoạn đào đất và làm chìm giếng riêng rẽ bởi vì trong quá trình đào phải đảm bảo áp suất trong khoang làm việc không đổi còn khi làm chìm giếng không đƣợc để có ngƣời trong khoang làm việc tránh sự cố giếng chìm sâu ép lên ngƣời ở trong đó. Đào đất bằng máy kết hợp nhân lực đào ở những góc sát với chân lƣỡi cắt. Máy đào chuyên dụng chế tạo riêng cho thi công trong khoang làm việc của giếng chìm. Đất đá thải chuyển ra ngoài bằng thùng chứa hình trụ để có thể đƣa lọt qua đƣờng ống dễ dàng. Chuyển thùng chứa từ dƣới đáy lên khỏi khoang vật liệu bằng cần cẩu. Tiến hành đào dần từng cấp đào từ giữa đào đối xứng ra xung quanh để lại phần đất dƣới chân đáy không bị sạt lở và có khả năng tạo ra phản lực F góp phần giữ cho giếng không bị chìm xuống. Để đánh chìm giếng xuống sau mỗi đợt đào đất thông thƣờng áp dụng hai biện pháp: 1. Gia tải bằng bơm nƣớc vào trong khoang giếng bên trên, lƣợng nƣớc đã đƣợc tính toán để sau khi bơm vào đủ lƣợng nƣớc, giếng tụt xuống một khoảng cách an toàn đối với thiết bị bố trí trong khoang. Trong khi đánh chìm giếng bằng gia tải áp lực khí trong khoang làm việc tăng lên theo độ chìm, tất cả công nhân làm việc trong khoang phải thoát hết ra ngoài. Việc bơm nƣớc phải đảm bảo cấp đều trong các khoang. Nếu có hiện tƣợng lệch về phía nào thì bơm nhiều nƣớc vào trong ngăn đối diện. Hình 18: Trình tự đào đất trong khoang làm việc của giếng chìm 2. Làm chìm giếng bằng cách giảm áp suất khí nén có khi về đến trị số không gọi là biện pháp hạ giếng cƣỡng bức. Trong biện pháp này tƣơng quan giữa các lực làm chìm và các lực giữ phải tính toán sao cho khi giảm áp giếng sẽ từ từ hạ xuống, đất dƣới đáy lƣỡi cắt đƣợc đào moi hẫng hoặc chỉ còn tựa rất ít vào chân giếng. Sau khi đã rút hết công nhân ra khỏi khoang làm việc, tiến hành xả TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 13 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD khí để giếng tự chìm. Khí nén đƣợc thải thoe đƣờng ống thông khí, không dùng đƣờng ống cấp khí để thải. 5. Xử lý đáy và đổ lấp lòng giếng chìm hơi ép Khi đào đến gần cao độ thiết kết phải giữ cho đáy nền ở trạng thái có khả năng chịu đƣợc các lực làm chìm khi không có lực đẩy lên của khí nén. Dọn phẳng và làm sạch mặt nền. Tiến hành thí nghiệm nén kiểm tra cƣờng độ nền đất dƣới đáy móng bằng bàn ép tiêu chuẩn. Dùng thanh chống chống lên đáy trần để tì kích thủy lực. Phải tiến hành thí nghiệm tại bốn điểm xung quanh và một điểm ở giữa đáy giếng. Hình 19: Thử tải đất nền bằng bàn ép Kiểm tra cao độ mặt nền tại tám điểm xung quanh chân giếng và một điểm ở giữa. Sau khi kiểm tra và nghiệm thi đáy móng, tiến hành dỡ bỏ các thiết bị có trong khoang làm việ và chuyển ra ngoài. Khoang làm việc đƣợc đổ lấp đầy bê tông bằng biện pháp bơm vữa trong điều kiện trong khoang không bị tràn nƣớc. TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 14 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Hình 20: Đổ bê tông lấp đầy khoang thi công Hình 21: Đổ bê tông lấp khoang thi công TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 15 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD 6. Thi công bản đỉnh giếng Hình 22: Đặt cốt thép bản đỉnh giếng Hình 23: Lắp dựng cốt thép cho bản đậy và lần đổ bê tông cuối cùng TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 16 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Makốpski. Công trình ngầm giao thông đô thị. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội, 2008. [2] Bùi Mạnh Hùng. Công nghệ thi công công trình ngầm. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội, 2013. [3] Haruo Yanagawa. Thi công móng cầu chính bằng phương pháp giếng chìm hơi ép cầu Bãi Cháy. Nhà xuất bản Giao thông vận tải. Hà Nội, 2007. TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG TRÌNH NGẦM CHỦ ĐỀ: CÔNG NGHỆ HẠ GIẾNG CHÌM HƠI ÉP Trang 17 KHUẤT TRẦN THANH – LỚP CĐHN1305 - ĐHXD Mục lục Giới thiệu ....................................................................................................................... 1 1. Nguyên lý của phương pháp giếng chìm hơi ép (GCHE) .................................. 1 2. Cấu tạo giếng chìm hơi ép ..................................................................................... 2 3. Kỹ thuật đúc và hạ đốt giếng đầu tiên ................................................................. 4 4. Đào đất trong khoang và làm chìm giếng .......................................................... 12 5. Xử lý đáy và đổ lấp lòng giếng chìm hơi ép ....................................................... 13 6. Thi công bản đỉnh giếng ...................................................................................... 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 16