I. Hướng dẫn chống đỡ hố đào sâu Vì sao cần bỏ kingpost
Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, việc khai thác không gian ngầm để xây dựng tầng hầm cho các tòa nhà cao tầng đã trở thành một yêu cầu tất yếu. Tuy nhiên, biện pháp thi công tầng hầm trong điều kiện chật hẹp, liền kề các công trình lân cận luôn là một bài toán phức tạp, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo ổn định hố đào và an toàn tuyệt đối. Một trong những phương pháp phổ biến nhất để chống đỡ tường vây là sử dụng hệ shoring-kingpost, bao gồm các cột chống tạm (kingpost) cắm sâu vào cọc khoan nhồi và hệ văng chống ngang. Dù được áp dụng rộng rãi, giải pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm cố hữu. Các cột kingpost thường gây cản trở lớn cho không gian thi công, làm chậm tiến độ đào đất và đổ bê tông dầm sàn. Hơn nữa, việc thu hồi hoàn toàn hệ cột tạm là bất khả thi, gây lãng phí vật liệu và tăng chi phí. Những hạn chế này thúc đẩy ngành xây dựng tìm kiếm các giải pháp chống đỡ hố đào sâu hiệu quả hơn, đặc biệt là các phương pháp không sử dụng kingpost, nhằm tối ưu hóa không gian, rút ngắn thời gian và đảm bảo an toàn thi công hố đào ở mức cao nhất.
1.1. Bối cảnh thi công tầng hầm trong đô thị hiện đại
Sự phát triển của các thành phố lớn như Hà Nội, Đà Nẵng và TP. Hồ Chí Minh kéo theo nhu cầu cấp thiết về không gian ngầm cho bãi đỗ xe, trung tâm thương mại và hệ thống kỹ thuật. Việc thi công trong đô thị đòi hỏi các biện pháp phải giảm thiểu tác động đến môi trường xung quanh, đặc biệt là sự ổn định của các công trình hiện hữu. Hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất trong đất và có thể ảnh hưởng đến mực nước ngầm, dẫn đến nguy cơ lún, nứt cho các tòa nhà kế cận. Do đó, việc lựa chọn kết cấu tường chắn đất (như tường vây barrette, tường cọc khoan nhồi) và hệ thống chống đỡ phù hợp là yếu tố tiên quyết để đảm bảo thành công và an toàn cho dự án.
1.2. Nhược điểm của hệ văng chống strutting system có kingpost
Hệ shoring-kingpost truyền thống, mặc dù phổ biến, lại là nguyên nhân chính gây ra nhiều trở ngại. Theo nghiên cứu của Đỗ Đình Sánh (2019), các cột kingpost phải được cắm sâu vào cọc khoan nhồi hoặc cọc biện pháp, khiến việc thu hồi 100% là không thể. Điều này không chỉ gây lãng phí mà còn tạo ra các chướng ngại vật cố định trong lòng hố đào. Sự hiện diện của kingpost làm phức tạp hóa việc di chuyển của máy móc, hạn chế khả năng cơ giới hóa quá trình đào đất và vận chuyển vật liệu. Không gian bị chia cắt cũng ảnh hưởng đến việc thi công kết cấu dầm sàn, khó đảm bảo tính toàn khối và kéo dài thời gian thi công chung của toàn dự án.
II. Thách thức kỹ thuật khi thi công chống sạt lở không kingpost
Việc loại bỏ hệ cột chống tạm kingpost đặt ra một thách thức lớn: làm thế nào để hệ chống ngang có thể vượt được khẩu độ lớn (lên đến 20m hoặc hơn) mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực và duy trì ổn định hố đào. Khi không có các gối tựa trung gian, các thanh chống ngang phải được thiết kế như những cấu kiện chịu nén uốn đồng thời với độ mảnh lớn, tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định do uốn dọc. Áp lực đất tác động lên kết cấu tường chắn đất là rất lớn và phân bố không đều, đòi hỏi hệ văng chống phải đủ cứng để hạn chế chuyển vị của tường vây, tránh gây ảnh hưởng đến công trình lân cận. Bên cạnh đó, các chi tiết liên kết giữa thanh chống và tường vây (thông qua dầm biên) phải được tính toán cẩn thận để truyền lực hiệu quả, tránh phá hoại cục bộ. Việc kiểm soát quan trắc biến dạng của cả hệ thống trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, yêu cầu phải có quy trình theo dõi liên tục và chính xác để đảm bảo an toàn thi công hố đào.
2.1. Vấn đề ổn định của kết cấu vượt nhịp lớn
Khi một thanh chống vượt nhịp lớn mà không có gối đỡ trung gian, nó hoạt động như một cấu kiện chịu nén đúng tâm hoặc nén lệch tâm. Theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575:2012, các cấu kiện này phải được kiểm tra điều kiện bền và điều kiện ổn định tổng thể (uốn dọc). Độ mảnh của cấu kiện (tỷ số giữa chiều dài tính toán và bán kính quán tính) càng lớn, khả năng mất ổn định càng cao. Do đó, việc lựa chọn tiết diện có mô men quán tính lớn và vật liệu cường độ cao là cực kỳ quan trọng. Thách thức nằm ở việc cân bằng giữa việc tăng độ cứng của thanh chống và việc giữ cho trọng lượng bản thân của nó ở mức hợp lý để dễ dàng lắp dựng và tháo dỡ.
2.2. Kiểm soát chuyển vị tường vây và mực nước ngầm
Một hệ chống đỡ hiệu quả phải có khả năng kiềm chế chuyển vị ngang của tường vây trong giới hạn cho phép. Khi không có kingpost, toàn bộ áp lực đất sẽ được truyền trực tiếp qua hệ văng chống (strutting system) sang tường đối diện. Bất kỳ biến dạng nào của hệ văng chống đều sẽ dẫn đến chuyển vị của tường. Ngoài ra, việc hạ mực nước ngầm là một công đoạn không thể thiếu trong thi công hố đào sâu, nhưng nó cũng làm tăng ứng suất hiệu quả trong đất và gia tăng áp lực lên tường. Việc tính toán và mô phỏng chính xác sự tương tác phức tạp giữa đất, nước ngầm, tường vây và hệ văng chống là một yêu cầu bắt buộc, thường được thực hiện qua các phần mềm tính toán chuyên dụng như Plaxis hoặc Geo5.
III. Phương pháp dùng dầm Bailey chống đỡ tường vây hố đào sâu
Một trong những giải pháp tiên phong cho việc chống đỡ hố đào sâu không dùng kingpost là ứng dụng dầm Bailey. Ban đầu được thiết kế cho mục đích quân sự và thi công cầu tạm, dầm Bailey có cấu tạo dạng module, trọng lượng nhẹ, dễ lắp ghép và có khả năng chịu uốn, chịu nén vượt trội. Thực tế tại công trình Sun Square (Hà Nội), dầm Bailey đã được sử dụng thành công để chống đỡ tường vây với khẩu độ lên tới 27m. Thay vì chống trực tiếp vào tường, dầm Bailey sẽ tì vào một hệ dầm phụ bằng thép chạy dọc tường vây, giúp phân bố đều lực tập trung từ thanh chống. Giải pháp này đã chứng minh được hiệu quả vượt trội: giải phóng hoàn toàn không gian thi công, cho phép cơ giới hóa đào đất, rút ngắn đáng kể tiến độ và tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, dầm Bailey là một loại kết cấu đặc thù, không phổ biến trong xây dựng dân dụng, dẫn đến những hạn chế về nguồn cung và chi phí. Điều này đã mở ra hướng nghiên cứu các vật liệu thay thế phổ biến hơn nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật tương đương.
3.1. Đặc điểm cấu tạo và khả năng chịu lực của dầm Bailey
Dầm Bailey được tổ hợp từ các module thép tiêu chuẩn, liên kết bằng chốt và bu lông, tạo thành một kết cấu giàn không gian có độ cứng rất lớn. Khi được sử dụng làm thanh chống trong hệ văng chống (strutting system), nó đóng vai trò là một cấu kiện chịu nén. Với tiết diện lớn (ví dụ 1,5m x 0,55m), dầm Bailey có bán kính quán tính cao, giúp chống lại hiện tượng mất ổn định uốn dọc hiệu quả khi vượt nhịp lớn. Theo nghiên cứu được trích dẫn trong luận văn của Đỗ Đình Sánh, dù ban đầu được thiết kế để chịu uốn, dầm Bailey đã được chứng minh là có khả năng chịu nén rất tốt, đáp ứng các yêu cầu về chống sạt lở cho hố đào sâu.
3.2. Quy trình thi công ứng dụng dầm Bailey thực tế
Quy trình thi công thường bắt đầu sau khi hoàn thành tường vây barrette hoặc tường cọc khoan nhồi. Đất được đào theo từng lớp, tương ứng với vị trí lắp đặt các tầng văng chống. Ví dụ, với hố đào 3 tầng hầm, đất sẽ được đào đến cao độ lắp lớp văng chống thứ nhất, sau đó hệ dầm Bailey được cẩu lắp vào vị trí. Quá trình này lặp lại cho các lớp văng chống tiếp theo. Sau khi đào đến đáy móng và thi công xong sàn hầm dưới cùng, các lớp dầm Bailey sẽ được tháo dỡ tuần tự từ dưới lên khi kết cấu bê tông cốt thép của các tầng hầm đã đủ cường độ để chịu áp lực đất. Quy trình này giúp tối ưu hóa tiến độ, vì việc thi công kết cấu và tháo dỡ hệ chống có thể diễn ra song song.
IV. Bí quyết dùng ống thép Giải pháp chống đỡ hố đào tối ưu
Từ thành công của dầm Bailey nhưng nhận thấy những hạn chế của nó, nghiên cứu của Đỗ Đình Sánh (2019) đã đề xuất một giải pháp đột phá và thực tiễn hơn: sử dụng ống thép tròn đường kính lớn để thay thế. Ống thép là vật liệu cực kỳ phổ biến, dễ tìm, chi phí hợp lý và có các đặc trưng cơ học rất phù hợp cho cấu kiện chịu nén. Tiết diện tròn của ống thép có mô men quán tính đồng đều theo mọi phương, mang lại khả năng chống uốn dọc tối ưu. Đây là một ưu điểm vượt trội so với các tiết diện thép hình khác. Luận văn đã tiến hành mô phỏng và tính toán chi tiết cho một công trình giả định có 3 tầng hầm tại Đà Nẵng, sử dụng phần mềm tính toán Plaxis để phân tích ứng xử của hệ tường vây và hệ văng chống (strutting system) bằng ống thép. Kết quả cho thấy giải pháp này hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật, đảm bảo ổn định hố đào và kiểm soát tốt biến dạng, mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng cho biện pháp thi công tầng hầm hiện đại.
4.1. Lựa chọn tiết diện và tính toán khả năng chịu lực ống thép
Việc lựa chọn đường kính và chiều dày ống thép phụ thuộc vào khẩu độ hố đào và áp lực đất tính toán. Dựa trên nội lực (lực dọc và mô men uốn) xuất ra từ mô hình Plaxis, tiến hành kiểm tra tiết diện ống thép theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575:2012. Các kiểm tra quan trọng bao gồm kiểm tra bền (ứng suất không vượt cường độ tính toán) và kiểm tra ổn định tổng thể (chống uốn dọc). Nghiên cứu đã xem xét các loại ống thép như D812.8 với chiều dày t=25.4mm và cho thấy chúng hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chịu lực cho hố đào có bề rộng lên đến 20m. Trọng lượng bản thân của ống thép cũng được đưa vào tính toán như một tải trọng phân bố đều, gây ra mô men uốn trong thanh chống.
4.2. Mô phỏng giai đoạn thi công bằng phần mềm tính toán Plaxis Geo5
Để có kết quả chính xác, quá trình thi công được mô phỏng theo từng giai đoạn trong Plaxis. Các bước bao gồm: thiết lập trạng thái ứng suất ban đầu của đất, thi công tường vây, hạ mực nước ngầm, đào đất từng đợt, và kích hoạt từng lớp văng chống ống thép. Mỗi giai đoạn đều được phân tích để xác định nội lực trong tường vây, thanh chống và chuyển vị của hệ thống. Việc mô phỏng này giúp quan trắc biến dạng một cách dự báo, xác định được các giá trị lực lớn nhất tác dụng lên thanh chống ở các tầng khác nhau, từ đó làm cơ sở để thiết kế và kiểm tra tiết diện một cách an toàn và kinh tế.
V. Kết quả nghiên cứu ứng dụng ống thép chống đỡ hố đào sâu
Nghiên cứu điển hình trong luận văn của Đỗ Đình Sánh áp dụng cho một công trình 3 tầng hầm tại Đà Nẵng với hố đào rộng 20m đã mang lại những kết quả thuyết phục. Phân tích bằng phần mềm tính toán Plaxis cho thấy, hệ văng chống (strutting system) bằng ống thép D812.8mm không chỉ đảm bảo khả năng chịu lực mà còn kiểm soát hiệu quả chuyển vị ngang của tường vây, giữ cho biến dạng ở mức an toàn cho công trình lân cận. Nội lực lớn nhất xác định được trong các ống chống được dùng để kiểm tra theo tiêu chuẩn thiết kế TCVN, và kết quả cho thấy hệ số an toàn đều được đảm bảo. Nghiên cứu cũng đề xuất chi tiết cấu tạo liên kết giữa ống chống và dầm phụ (dầm waler), đảm bảo sự truyền lực ổn định. Những kết quả này khẳng định rằng việc sử dụng ống thép chống đỡ tường vây là một giải pháp hoàn toàn khả thi, hiệu quả và có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế, giúp khắc phục triệt để các nhược điểm của phương pháp shoring-kingpost truyền thống.
5.1. Phân tích nội lực và biến dạng của hệ kết cấu
Kết quả từ mô hình Plaxis chỉ ra rằng lực dọc trong các thanh chống tăng dần từ trên xuống dưới, với giá trị lớn nhất xuất hiện ở tầng chống gần đáy hố đào. Ví dụ, lực dọc lớn nhất trong ống chống lớp 3 là 1471 kN. Đồng thời, mô men uốn và lực cắt trong tường vây barrette cũng được xác định, cho thấy giá trị lớn nhất tập trung tại các vị trí liên kết với thanh chống và tại mũi tường. Chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây cũng được ghi nhận, là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ ổn định hố đào và ảnh hưởng đến xung quanh. Tất cả các giá trị này đều nằm trong giới hạn thiết kế cho phép.
5.2. Đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế kỹ thuật
So với hệ shoring-kingpost, giải pháp không dùng kingpost sử dụng ống thép mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật vượt trội. Về kỹ thuật, nó giải phóng không gian, tạo điều kiện thuận lợi cho cơ giới hóa, đẩy nhanh tiến độ thi công. Về kinh tế, nó giúp tiết kiệm chi phí vật liệu do không phải chôn cột tạm vĩnh viễn, giảm chi phí nhân công và máy móc do thi công nhanh hơn. Khả năng tái sử dụng của ống thép và dầm phụ cũng rất cao. Nghiên cứu kết luận: "việc sử dụng ống thép chống đỡ tường vây hố đào là hoàn toàn khả thi và có thể áp dụng trong thực tế thi công", mở ra một lựa chọn tối ưu cho các dự án thi công trong đô thị.
VI. Tương lai giải pháp chống đỡ hố đào và các khuyến nghị
Giải pháp chống đỡ hố đào sâu không dùng kingpost, đặc biệt là ứng dụng ống thép, đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ thi công tầng hầm tại Việt Nam. Nó không chỉ giải quyết các vấn đề về kỹ thuật mà còn tối ưu hóa về mặt kinh tế và tiến độ. Trong tương lai, xu hướng này sẽ ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt với các dự án đòi hỏi không gian thi công rộng và tiến độ nhanh. Để phát triển hơn nữa, các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa tiết diện ống thép cho các khẩu độ lớn hơn, nghiên cứu các vật liệu mới có cường độ cao hơn và trọng lượng nhẹ hơn. Việc chuẩn hóa các chi tiết liên kết, xây dựng một bộ tiêu chuẩn thiết kế TCVN riêng cho loại hình kết cấu này cũng là một hướng đi cần thiết. Đồng thời, việc kết hợp công nghệ quan trắc biến dạng tự động, thời gian thực sẽ giúp nâng cao mức độ an toàn thi công hố đào, biến giải pháp này trở thành lựa chọn hàng đầu cho các công trình ngầm phức tạp trong tương lai.
6.1. Xu hướng phát triển của các biện pháp thi công tầng hầm
Bên cạnh hệ văng chống, các công nghệ khác như neo trong đất (ground anchor) và phương pháp thi công top-down construction cũng là những giải pháp không dùng kingpost hiệu quả. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các điều kiện địa chất và quy mô công trình khác nhau. Xu hướng chung là tích hợp các công nghệ mô phỏng số (như Plaxis, Geo5) và BIM vào quá trình thiết kế và quản lý thi công. Điều này cho phép dự báo chính xác hơn hành vi của kết cấu, tối ưu hóa thiết kế và quản lý rủi ro tốt hơn, đặc biệt là các rủi ro liên quan đến chống sạt lở và ảnh hưởng đến công trình lân cận.
6.2. Các khuyến nghị cho thiết kế và thi công trong thực tế
Dựa trên kết quả nghiên cứu, có một số khuyến nghị quan trọng. Thứ nhất, cần thực hiện khảo sát địa chất chi tiết để có số liệu đầu vào chính xác cho phần mềm tính toán. Thứ hai, việc mô phỏng đa giai đoạn thi công là bắt buộc để nắm bắt được ứng xử thực của hệ kết cấu. Thứ ba, cần đặc biệt chú trọng đến thiết kế các chi tiết liên kết và có biện pháp kiểm soát chất lượng chế tạo, lắp dựng nghiêm ngặt. Cuối cùng, công tác quan trắc biến dạng phải được thực hiện liên tục trong suốt quá trình thi công và so sánh với kết quả dự báo từ mô hình tính toán để có những điều chỉnh kịp thời, đảm bảo an toàn thi công hố đào một cách tuyệt đối.
