Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án môn học "Kỹ thuật thi công & An toàn lao động" (ATLĐ) do sinh viên Đào Ngọc Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Quang Trung, tập trung giải quyết bài toán thiết kế biện pháp kỹ thuật thi công và an toàn lao động cho công trình dân dụng nhiều tầng. Đề tài cụ thể được lựa chọn là công trình "Văn phòng cho thuê", xây dựng tại khu vực ngoại ô thành phố Đà Nẵng.
Bối cảnh thực tiễn của công trình được xác định dựa trên các điều kiện tự nhiên và hiện trạng mặt bằng:
- Địa chất thủy văn: Nền đất xây dựng thuộc loại đất cát pha (đất mượn), có tính chất cơ lý tương đối ổn định, thuận tiện cho việc xây dựng nhà cao tầng; mực nước ngầm nằm dưới cao trình đáy hố móng, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác đào đất và thi công móng trong điều kiện khô ráo.
- Địa hình và mặt bằng: Công trình nằm trong khuôn viên ký túc xá rộng rãi cả 4 hướng, địa hình bằng phẳng, đã được phát quang dọn dẹp kết cấu cũ. Vị trí tiếp giáp cụ thể: phía Bắc giáp đường Nguyễn Văn Thương, phía Tây giáp sân lát gạch, phía Nam và phía Đông tiếp giáp các khối nhà hiện hữu.
- Khí tượng: Khu vực Đà Nẵng mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới gió mùa với mùa khô kéo dài từ tháng 1 đến tháng 7 và mùa mưa bão từ tháng 8 đến tháng 12, đòi hỏi phương án thi công phải tính đến rủi ro thời tiết bất lợi.
Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật được đặt ra trong văn bản bao gồm 4 nội dung trọng tâm:
- Thiết kế biện pháp thi công công tác đất của công trình (tính toán khối lượng đào, lựa chọn giải pháp hố đào, tổ hợp máy đào và phương tiện vận chuyển).
- Thiết kế biện pháp thi công bê tông cốt thép móng (lựa chọn, tính toán kiểm tra ván khuôn, quy trình đổ bê tông và bảo dưỡng).
- Thiết kế biện pháp thi công bê tông cốt thép phần thân bao gồm hệ kết cấu cột, dầm, sàn (tính toán tải trọng, kiểm tra khả năng chịu lực của ván khuôn, xà gồ, cột chống).
- Thiết kế các biện pháp an toàn lao động trong toàn bộ quá trình thi công xây dựng (an toàn sử dụng điện, an toàn công tác cốp pha, cốt thép, bê tông và giàn giáo).
Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ và các kết cấu tạm phục vụ thi công tòa nhà văn phòng 7 tầng, tổng chiều cao 26,6 m (chiều cao tầng 1 là 4,5 m; các tầng 2, 3, 4, 5, 6 là 3,3 m; tầng 7 là 3,8 m). Kết cấu công trình sử dụng móng đơn bê tông cốt thép (BTCT) đổ toàn khối và hệ khung dầm sàn BTCT toàn khối đổ tại chỗ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế thi công
Đồ án được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam, sổ tay máy xây dựng và lý thuyết cơ học kết cấu trong tính toán thi công:
-
Tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật sử dụng:
- TCVN 4447-1987 (và TCVN 4447:1998): Công tác đất – Quy phạm thi công và nghiệm thu (áp dụng Bảng 8 để tra cứu, nội suy hệ số mái dốc $m = 0,477$ và xác định hệ số tơi xốp của đất $K_s = 1,2$).
- TCVN 4036-85: An toàn điện trong xây dựng.
- Sổ tay máy xây dựng: Tra cứu thông số kỹ thuật của máy đào gầu nghịch EO-33116, xe tải ben THACO FORLAND FD9500 và máy đầm chấn động $\eta 116$.
- Catalogue kỹ thuật của Công ty Hòa Phát: Bảng thông số hình học, mô-men quán tính ($J$), mô-men kháng uốn ($W$), trọng lượng của các dòng ván khuôn thép định hình phẳng (mã HP, FF) và hệ cột chống thép điều chỉnh (mã K-102 đến K-106).
-
Phương pháp tính toán kỹ thuật:
- Phương pháp phân tích hình học không gian và giải tích thể tích: Chia khối đào tổng thể thành 6 phân khối hình học cơ bản để tính toán chính xác thể tích đất đào cơ giới và đất đào thủ công.
- Phương pháp cân bằng dây chuyền máy thi công: Xác định chu kỳ làm việc, năng suất lý thuyết, năng suất thực tế theo ca của máy đào và xe tải vận chuyển; thiết lập điều kiện phối hợp liên tục giữa máy đào và phương tiện vận chuyển đất theo 2 nguyên tắc kỹ thuật ($N_1$ và $N_2$).
- Phương pháp cơ học kết cấu và sức bền vật liệu: Mô hình hóa ván khuôn, xà gồ đỡ thành các sơ đồ tính dầm đơn giản và dầm liên tục kê trên các gối tựa; xác định tổ hợp tĩnh tải (trọng lượng bản thân BTCT, ván khuôn, xà gồ) và hoạt tải thi công (người, thiết bị, đầm rung, đổ bê tông); kiểm tra điều kiện bền theo ứng suất pháp uốn ($\sigma \le [\sigma] = R_u = 2100\text{ kG/cm}^2$) và điều kiện biến dạng/độ võng ($f_{\max} \le [f]$).
-
Nguồn dữ liệu: Số liệu địa chất công trình khảo sát tại hiện trường; bản vẽ thiết kế kiến trúc, kết cấu móng đơn và khung dầm sàn của công trình; catalogue sản phẩm thiết bị thi công của các nhà sản xuất trong nước.
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần thứ nhất: Giới thiệu tổng quan công trình
Phần mở đầu trình bày các thông số quy mô của tòa nhà văn phòng cho thuê 7 tầng với các cao độ tầng cụ thể và giải pháp kết cấu móng đơn BTCT toàn khối. Tác giả phân tích chi tiết điều kiện tự nhiên của khu đất tại Đà Nẵng, nêu rõ các yếu tố thuận lợi như mặt bằng thi công rộng rãi trong khuôn viên ký túc xá, không bị cản trở bởi công trình lân cận, gần trục giao thông chính thuận tiện vận chuyển vật tư và nền đất ổn định không đòi hỏi gia cố phức tạp. Đồng thời, tác giả cũng chỉ rõ khó khăn xuất phát từ đặc điểm nhà cao tầng, khối lượng thi công lớn và rủi ro thời tiết khi thi công rơi vào mùa mưa bão miền Trung.
Phần thứ hai: Thiết kế biện pháp thi công hố móng & phần thân
Đây là phần nội dung trọng tâm của đồ án, bao gồm các giải pháp công nghệ và tính toán kỹ thuật chi tiết:
-
Thiết kế giải pháp thi công hố móng:
- Biện pháp đào đất: Chiều sâu hố đào tổng thể là $1,9\text{ m}$ ($1,7\text{ m}$ đào bằng máy và $0,2\text{ m}$ đào thủ công sửa đáy móng nhằm tránh phá vỡ cấu trúc đất nguyên thổ). Dựa trên công thức kiểm tra khoảng cách giữa hai đỉnh mái dốc $S = L - (a_m/2 + 2b_{tc} + 2B + b_m/2)$ với bề rộng mái dốc $B = H \times m = 1,43 \times 0,477 = 0,68\text{ m}$ và khoảng cách thao tác $b_{tc} = 0,5\text{ m}$, tác giả xác định phía Bắc công trình đủ điều kiện đào mái dốc tự nhiên, trong khi phía Đông, Nam, Tây phải sử dụng cừ chắn gia cố do khoảng cách an toàn với công trình lân cận không đảm bảo.
- Khối lượng đất đào: Tổng khối lượng đất đào đạt $301,883\text{ m}^3$, trong đó khối lượng đào cơ giới là $V_M = 164,290\text{ m}^3$ và khối lượng đào thủ công là $V_{TC} = 137,593\text{ m}^3$.
- Lựa chọn máy đào và xe vận chuyển: So sánh máy đào gầu thuận và gầu nghịch; quyết định chọn máy đào gầu nghịch EO-33116 ($q = 0,4\text{ m}^3$, $R_{\text{đ}\max} = 7,8\text{ m}$, $h_{\max} = 5,4\text{ m}$, chu kỳ $t_{ck} = 15\text{ s}$) do máy đứng trên bờ hố đào thao tác, không phải mở đường dốc xuống đáy hố. Tuyến di chuyển của máy đào được chọn theo phương cạnh dài ($52,2\text{ m}$), chia hố đào thành 2 khoang (khoang 1 rộng $14,2\text{ m}$, khoang 2 rộng $12,8\text{ m}$).
- Đoàn xe vận chuyển đất: Sử dụng xe tải THACO FORLAND FD9500 ($Q = 9\text{ tấn}$, thùng xe $7,6\text{ m}^3$, cự ly đổ thải $3\text{ km}$, vận tốc trung bình $40\text{ km/h}$, chu kỳ xe chạy $T_{ck} = 22,75\text{ phút}$). Qua tính toán điều phối năng suất, xác định cần huy động tổ hợp 5 xe tải để máy đào hoạt động liên tục không bị gián đoạn.
-
Công tác thi công bê tông cốt thép móng:
- Tổng khối lượng bê tông móng toàn công trình là $V_m = 209\text{ m}^3$, sử dụng bê tông thương phẩm vận chuyển bằng xe bồn và thi công bằng máy bơm bê tông cần dài.
- Thiết kế ván khuôn cho đài móng điển hình M2 ($2,3\text{ m} \times 2,05\text{ m}$): Lựa chọn ván khuôn thép định hình Hòa Phát. Qua tính toán kiểm tra chịu lực với áp lực ngang của bê tông ($q_1 = 1250\text{ kg/m}^2$) và hoạt tải đầm rung $\eta 116$ ($q_2 = 1250\text{ kg/m}^2$), sơ đồ dầm liên tục đảm bảo điều kiện bền $\sigma \le 2100\text{ kG/cm}^2$. Bố trí thanh chống đứng và thanh xiên với khoảng cách $90\text{ cm}$ (phương cạnh dài) và $75\text{ cm} - 90\text{ cm}$ (phương cạnh ngắn).
- Quy trình bảo dưỡng bê tông: Tưới nước giữ ẩm liên tục trong 7 ngày đầu (ban ngày 3 giờ/lần, ban đêm tối thiểu 2 lần). Chỉ cho phép công nhân đi lại khi bê tông đạt cường độ $12\text{ kG/cm}^2$ (sau 24 giờ ở $20^\circ\text{C}$); tháo dỡ ván khuôn móng khi bê tông đạt 25% cường độ thiết kế (khoảng 4 ngày).
-
Thiết kế giải pháp thi công phần thân:
- Thi công cột: Chọn cột điển hình tiết diện $400 \times 250\text{ mm}$, chiều cao $H = 3,2\text{ m}$. Sử dụng các tấm ván khuôn thép FF-4015, HP-2515 kết hợp ván gỗ chêm. Kiểm tra áp lực vữa tươi (chiều cao rơi tự do $h_{\text{đổ}} \le 1,5\text{ m}$) và đầm rung, tính toán khoảng cách giữa các gông cổ là $l_{gc} = 65\text{ cm}$ (bố trí 6 gông cổ trên chiều cao cột). Trước khi đổ bê tông, rải lớp vữa xi măng cát mác tương đương dày $5\text{ cm}$ tại chân cột để chống rỗ.
- Thi công dầm, sàn: Thiết kế ô sàn điển hình tầng 3 (kích thước $4500 \times 3600\text{ mm}$, lọt lòng $4200 \times 3300\text{ mm}$). Mặt sàn sử dụng 22 tấm FF-3018 ($1800 \times 300\text{ mm}$) và 11 tấm FF-3006 ($600 \times 300\text{ mm}$). Hệ đỡ gồm xà gồ thép định hình I60 kê trên các cây chống thép K-103 của Hòa Phát. Tính toán kiểm tra ván khuôn đáy dầm ($300 \times 350\text{ mm}$) với nhịp $4,2\text{ m}$ (trục B) và $3,3\text{ m}$ (trục 2), sử dụng các tấm FF-3015, FF-3012 kết hợp gỗ chèn và kẹp thành dầm, khoảng cách xà gồ đỡ đáy dầm được chốt ở mức $750\text{ mm}$.
Phần thứ ba: Các biện pháp an toàn lao động
Trình bày hệ thống quy tắc ATLĐ theo các phân hệ thi công chuyên biệt:
- An toàn điện thi công: Tuân thủ TCVN 4036-85; tách biệt hệ thống điện động lực và điện chiếu sáng; trang bị cầu dao tổng và nhánh; cáp động lực dùng vỏ bọc cao su, dây chiếu sáng bọc PVC; bắt buộc nối đất vỏ kim loại của thiết bị điện và khung giàn giáo.
- An toàn giàn giáo, ván khuôn, cốt thép: Nghiêm cấm sử dụng giàn giáo bị biến dạng, rỉ sét; khi giàn giáo cao $> 6\text{ m}$ phải bố trí tối thiểu 2 sàn công tác (sàn làm việc và sàn bảo vệ); giàn giáo cao $> 12\text{ m}$ phải lắp đặt cầu thang leo với độ dốc $< 60^\circ$; dừng mọi hoạt động trên cao khi gặp mưa to, giông bão hoặc gió từ cấp 5 trở lên; ván khuôn sau tháo dỡ không được chất tải lên lối đi hay mép công trình khi chưa có thanh giằng cố định.
Kết quả tính toán và giải pháp kỹ thuật
Đồ án đã lượng hóa toàn bộ các thông số kỹ thuật thi công thông qua các bảng tính toán và công thức cơ học cụ thể:
| Hạng mục kỹ thuật |
Thông số / Giải pháp thiết kế được lựa chọn |
Căn cứ tính toán & Tiêu chuẩn áp dụng |
| Khối lượng đào đất |
Cơ giới: $164,290\text{ m}^3$; Thủ công: $137,593\text{ m}^3$; Tổng: $301,883\text{ m}^3$ |
Phân chia 6 khối hình học; $H_{\text{đào}} = 1,9\text{ m}$ |
| Máy đào chủ đạo |
Máy đào gầu nghịch EO-33116 ($q = 0,4\text{ m}^3$, $R_{\text{đ}\max} = 7,8\text{ m}$) |
Sổ tay máy xây dựng; di chuyển lùi dọc 2 khoang |
| Xe vận chuyển đất |
5 xe tải ben THACO FORLAND FD9500 ($Q = 9\text{ tấn}$) |
Cân bằng năng suất máy đào – ô tô; cự ly $3\text{ km}$ |
| Hệ ván khuôn chính |
Ván khuôn thép định hình phẳng Hòa Phát (HP, FF) |
Bảng tra thông số $J, W$ và cường độ $R_u = 2100\text{ kG/cm}^2$ |
| Ván khuôn móng M2 |
Tấm FF3018, FF3015, FF3009; khoảng cách chống $90\text{ cm}$ |
$\sigma < [\sigma]$; kiểm tra theo sơ đồ dầm liên tục |
| Gông cột điển hình |
6 gông cổ thép, khoảng cách $4 \times 65\text{ cm} + 1 \times 60\text{ cm}$ |
Tiết diện cột $400 \times 250\text{ mm}$; $H_{\text{cột}} = 3,2\text{ m}$ |
| Ván khuôn sàn điển hình |
22 tấm FF-3018 + 11 tấm FF-3006; xà gồ I60; chống K-103 |
Độ võng $f_{\max} = 0,225\text{ cm} \le [f] = 0,225\text{ cm}$ |
| Xà gồ đỡ đáy dầm |
Xà gồ thép I60, khoảng cách bố trí $l_{xg} = 750\text{ mm}$ |
Tiết diện dầm $300 \times 350\text{ mm}$; dầm dập dầm phụ |
| Thời gian tháo cốp pha |
Móng: 4 ngày (đạt 25% $R_{28}$); Cột: sau khi bê tông ninh kết |
Đảm bảo mép cạnh không sứt mẻ; tái luân chuyển |
Các giải pháp kỹ thuật nổi bật được tác giả xác lập bao gồm:
- Phối hợp hợp lý giữa đào cơ giới (chiếm 54,4% khối lượng) và đào thủ công sửa đáy móng ($0,2\text{ m}$ cuối) nhằm triệt tiêu nguy cơ phá hoại kết cấu địa tầng chịu lực trực tiếp dưới đáy móng đơn.
- Chuyển đổi mô hình tính toán ván khuôn từ dầm đơn giản sang dầm liên tục có các điểm tựa trung gian (gông, xà gồ), giúp tiết diện ván khuôn thép định hình đáp ứng hoàn toàn điều kiện cường độ uốn mà không cần gia tăng chiều dày bản thép.
- Chuẩn hóa hệ thống ván khuôn định hình kết hợp cây chống thép điều chỉnh K-103 của nhà sản xuất Hòa Phát, nâng cao hệ số luân chuyển cốp pha (từ 50 đến 80 lần sử dụng) so với việc dùng cốp pha gỗ truyền thống.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án mang lại giá trị thực hành kỹ thuật rõ nét cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Kỹ thuật Công trình: Dùng làm tài liệu mẫu hoàn chỉnh để thực hiện đồ án môn học "Kỹ thuật thi công 1", "Kỹ thuật thi công 2" và đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp.
- Kỹ sư hiện trường và cán bộ kỹ thuật thi công: Tham khảo phương pháp tính toán tải trọng đổ bê tông tươi, áp lực đầm rung lên cốp pha theo tiêu chuẩn Việt Nam, cùng bảng tra cứu quy cách hình học và đặc tính kháng uốn của hệ ván khuôn thép định hình Hòa Phát.
- Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
- Quy trình tính toán kiểm tra khoảng cách an toàn $S$ giữa các hố móng để quyết định biện pháp đào đất mở mái dốc hay đào có tường chắn.
- Trình tự thiết kế, kiểm tra bền và độ võng cho hệ cốp pha dầm - sàn nhiều nhịp sử dụng thép hình I60 và cột chống đơn K-103.
- Phương pháp tính toán chu kỳ và định lượng số lượng xe tải ben phục vụ máy đào gầu nghịch.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tác giả lựa chọn máy đào gầu nghịch EO-33116 thay vì máy đào gầu thuận?
Máy đào gầu nghịch đứng trên mặt đất tự nhiên (bờ hố đào) để xúc đất bên dưới, phù hợp với các hố móng nông ($1,9\text{ m}$), giúp loại bỏ chi phí và công sức mở đường dốc cho máy đào và xe tải di chuyển xuống đáy hố móng; đồng thời máy có thể vận hành linh hoạt kể cả khi xuất hiện nước đọng cục bộ dưới đáy hố.
2. Công thức nào quyết định việc bố trí 5 xe tải THACO FORLAND FD9500 phục vụ máy đào?
Số lượng xe được tính toán dựa trên điều kiện phối hợp liên tục giữa máy và xe: $N_{\text{ô tô}} = \max(N_1, N_2)$. Trong đó, $N_1 = \frac{NS_{\text{mđ}}}{NS_{\text{oto}}} = \frac{652,8}{160,8} = 4,05$ (đảm bảo năng suất xe lớn hơn máy) và $N_2 = \frac{T_{ck}}{t_{\text{chx}}} + 1 = \frac{22,75}{2,75} + 1 \approx 4,8$ (đảm bảo máy đào không phải chờ xe). Giá trị làm tròn lớn nhất được chọn là 5 xe.
3. Khi tính toán ván khuôn móng và sàn theo sơ đồ dầm đơn giản không đạt điều kiện bền, tác giả đã xử lý như thế nào?
Khi tính theo sơ đồ dầm đơn giản ($M_{\max} = \frac{q l^2}{8}$), ứng suất uốn $\sigma$ vượt quá cường độ cho phép của thép CT3 ($2100\text{ kG/cm}^2$). Tác giả đã chuyển đổi sang sơ đồ dầm liên tục ($M_{\max} = \frac{q l^2}{10}$) bằng cách bố trí thêm các gối tựa trung gian (xà ngang/xà gồ), từ đó giảm mô-men uốn và đưa ứng suất về mức cho phép ($\sigma < 2100\text{ kG/cm}^2$).
4. Cột chống thép K-103 của Hòa Phát được kiểm tra với các thông số chịu lực nào?
Cột chống K-103 có chiều cao điều chỉnh từ $2400\text{ mm}$ đến $3900\text{ mm}$, tải trọng nén cho phép đạt $1900\text{ kg}$, trọng lượng bản thân $13,6\text{ kg}$. Chiều cao sử dụng thực tế cho tầng sàn là $3,345\text{ m}$, hoàn toàn nằm trong dải điều chỉnh và thỏa mãn khả năng chịu lực nén truyền từ xà gồ I60 xuống.
5. Quy định an toàn lao động đối với hệ giàn giáo cao trên 6 m và trên 12 m được xác định ra sao?
Theo đồ án, khi giàn giáo có chiều cao vượt quá $6\text{ m}$, bắt buộc phải thiết lập tối thiểu 2 sàn công tác (gồm sàn làm việc bên trên và sàn bảo vệ rơi bên dưới). Khi chiều cao giàn giáo vượt quá $12\text{ m}$, bắt buộc phải bố trí hệ thống cầu thang leo chuyên dụng với độ dốc thiết kế không vượt quá $60^\circ$.
Kết luận
Đồ án môn học "Kỹ thuật thi công & ATLĐ" của tác giả Đào Ngọc Minh là một bản thiết kế thi công công trình dân dụng 7 tầng mạch lạc, có tính thực tiễn cao và bám sát các quy chuẩn xây dựng hiện hành. Thuyết minh đã giải quyết toàn diện từ khâu cơ giới hóa công tác đất hố móng, định lượng chi tiết khối lượng và phương tiện vận chuyển, đến việc tính toán kiểm tra kết cấu cốp pha thép định hình cho móng, cột, dầm, sàn. Đồng thời, hệ thống giải pháp an toàn lao động đồng bộ về điện, giàn giáo và thi công trên cao cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy để triển khai thi công an toàn và hiệu quả trên công trường thực tế.
