MÓNG SHINSO VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG

1-    Móng Shinso, một công nghệ thi công phù hợp với móng cầu cạn trên sườn núi

Phương pháp móng ShinSo là một phương pháp thi công móng cọc có đường kính lớn mà không xử dụng cơ giới nặng.

Shinso  tiếng Nhật nghĩa là móng sâu. Về bản chất móng cọc Shinso, nói cho dễ liên tưởng thì đó là loại móng cọc đường kính lớn bêtông cốt thép, tựa như móng cọc khoan nhồi nhưng khác về cách tạo lỗ cọc, cách đổ bê tông và cách giải quyết sự tiếp súc giữa cọc với đất nền.

Qua kinh nghiệm áp dụng thực tiễn ở nước ta, có thể giới thiệu móng Shinso như một công nghệ phù hợp nhất với điều kiện thi công móng cầu cạn trên sườn núi, tất nhiên cũng có thể áp dụng cho cầu xây dựng ở nơi khác có điều kiện tương tự.

Lý do phương pháp móng ShinSo thích hợp nhất cho xây dưng các móng cầu cạn trên sườn núi là vì tránh phải đưa các máy móc thi công nặng như các máy khoan cọc lên sườn núi cao, mà vẫn xây dựng được móng sâu, thích hợp với yêu cầu đảm bảo ổn định công trình trên các sườn núi nghiêng, địa chất không yếu và không có hoặc có ít nước ngầm.

Tuy gọi là móng sâu nhưng chiều sâu thích hợp thường chỉ được khoảng trên dưới 20m, tùy theo điều kiện địa chất, vì thế nó không thể thay thế móng cọc khoan nhồi trong mọi trường hợp, nhất là các điều kiện mố trụ cầu ở vùng đất thấp, yếu và có nước ngầm.

Có thể nói tóm tắt phương pháp cọc ShinSo như sau :

-         Cách tạo lỗ cọc Shinso là  đào thủ công bằng sức người, có sử dụng cơ giới nhỏ như thiết bị khoan đất đá cầm tay bằng hơi ép. Có khi sử dụng phá nổ với lượng thuốc nổ nhỏ.

-         Khi chiều sâu lỗ đào đủ lớn, vách lỗ khoan có thể bị sập nên cần tạo ra và lắp đặt một ống vách bằng thép có đường kính bằng đường kính xây dựng của cọc để bảo vệ lỗ cọc và bảo vệ công nhân thi công. Ống vách này được hình thành dần dần từ trên xuống dưới theo chiều sâu lỗ cọc đào được. Để thực hiện tạo dần ống vách như vậy mà không cần dung cẩu, ống vách được cấu tạo theo kiểu lắp ghép bằng nhiều mảnh nhỏ như sẽ nói trong mục sau. Sau khi tạo lỗ đến đủ độ sâu, và đặt cốt thép, bê tông sẽ được đổ vào trong ống vách và ống vách này sẽ bỏ lại trong đất. Đây là lý do làm cho  phương pháp ShinSo không rẻ.

-         Giữa ống vách và đất lỗ đào (tức là giữa cọc và đất) có một khoảng trống, để tạo liên kết giữa đất và cọc, một yếu tố quan trọng đảm bảo sức làm việc của cọc, khoảng trống này phải được lấp đầy bằng vữa, gọi là vữa tiếp xúc.

2-    Trình tự thi công cọc Shinso

Quá trình thi công một cọc Shinso thể hiện trên sơ đồ khối trình bầy trong hình 1 và gồm  12 bước sau đây  :

 

1-           Xác định tim và cao độ đầu cọc

2-           Lắp bản vách đầu tiên

3-           Đúc bêtông bệ định vị đầu cọc

4-           Đào đất lòng cọc trong lòng bản vách

5-           Lắp tiếp bản vách phía dưới

6-           Kiểm tra cao độ mũi coc

7-           Đổ bê tông lót đáy cọc

8-           Buộc cốt thép cọc

9-           Đặt ống bơm vữa tiếp súc

10-      Đổ bê tông cọc

11-      Bơm vữa tiếp xúc

12-      Đổ bêtông lót đáy bệ    

Sau đây là chi tiết về thực hiện các bước trong quá trình trên :

Hình1 Sơ đồ khối trình tự thi công cọc Shinso

2.1 Xác định tim và cao độ đầu cọc

Căn cứ vào bản vẽ thiết kế sơ bộ xác định cao độ mặt đất đáy bệ cọc tại vị trí từng cọc tiến hành đào mái đất tạo diện tích thi công trụ (mố) có tính đến phần diện tích phụ cần dùng cho thi công như nơi để vật liệu thiết bị nhỏ và đường đi lại trong công địa và đường vận chuyển lên công địa.

Trên mặt bằng đã chuẩn bị cho mỗi cọc tiến hành xác định tim coc và căn cứ vào tim cọc lắp vòng bản vách đầu tiên.

2.2 Lắp vòng bản vách đầu tiên

Bản vách đầu tiên giữ vai trò quan trọng đối với quá trình thi công một cọc Shinso với ý nghĩa là nó quyết định vị trí tim cọc, cao độ đầu cọc và độ thẳng đứng của cọc. Nếu vòng bản vách đặt đúng thì từ đó về sau toàn bộ thân cọc cứ theo đó hình thành đúng mong muốn. Nếu vòng này đăt sai thì rất khó sửa chữa. Vì vậy các vòng bản vách phải được chế tạo với độ chính xác thỏa mãn yêu cầu lắp ráp lẫn lộn và vòng đầu tiên phải được đặt đúng tim, thật nằm ngang ở đúng cao độ  thiết kế.

Vòng bản vách là một đốt ống vách , chiều cao mỗi vòng 50cm, tùy theo chiều dài cọc mà ống vách được chia thành một số đốt . Một cọc dài 10m sẽ có 20 vòng bản vách dùng cho thi công. Trên mặt bằng vòng bản vách được ghép bởi một số cung, tùy theo đường kính của cọc mà đường tròn chu vi cọc được chia làm số cung khác nhau. Các cung được chế tạo bằng thép tấm , chiều dầy tùy theo đường kính và chiều dài cọc mà xác định sao cho vòng bản vách đủ cường độ chịu lực ép của đất thành vách cọc. Bản vách thường dùng kiểu kết cấu bản orthotrop như trong hình 2 bản có độ cứng cao và ít tốn thép. Các cung ghép với nhau theo chiều ngang và theo chiều đứng thành vòng bản vách. 

Các vòng bản vách ghép với nhau dần dần bằng bulông tạo thành ống vách dài dần từ trên xuống dưới theo tiến trình đào đất trong lòng cọc . Xem hình 2

Hình 2 a&b Vòng bản vách thi công cọc Shinso

2.3 Đúc bê tông bệ, định vị đầu cọc

  Ống vách là một kết cấu thép có trọng lương khá lớn được treo trên điểm tựa là vòng bản vách đầu tiên, vì thế vòng bản vách này phải có một chỗ tựa vững chắc trên mặt đất. 

Chỗ tựa này được tạo ra bằng cách đúc một khối bêtông bao lấy bản vách đầu tiên. Ở mặt ngoài của vòng bản  này có hàn các thanh thép liên kết để gắn kết bản với bêtông . Xem các hình .3 a và b.

 Hình 3  a & b Vòng bản vách đầu tiên và bêtông định vị

Bề rộng của khối bêtông hình vành khăn tùy theo chất lương đất nền, đường kính  và chiều sâu cọc mà xác định, trên nguyên tắc là bệ đảm bảo đủ khả năng treo toàn bộ trọng lượng ống vách mà không làm cho mép lỗ cọc bị sụt trượt. Khối bê tông định vị còn có tác dụng ngăn không cho nước mặt đất chẩy vào lỗ cọc khi trời mưa.

Nhằm mục đích giữ cho vòng bản vách đầu tiên không bị biến dạng trong quá trình đúc bêtông bệ người ta thường tạm thời hàn hai thanh sắt góc song song lên mép bản như trong ảnh hình 3b

2.4         Đào đất lỗ cọc trong lòng ống vách

Hình 4  a & b Đào đất lỗ cọc trong lòng ống vách   (a)

 Sau khi khối bêtông định vị tương đối cứng ta có thể bắt đầu đào cọc. Đào chủ yếu bằng thủ công , đưa đất ra bằng gầu kéo tay, khi gặp đất cứng hoặc đá mồ côi thì dùng búa hơi ép để đào. Khi cần thiết, có thể nổ mìn. Kích thước đào cố gắng bám theo kích thước vòng bản vách càng sát càng tốt.  

Khi đào được thêm chiều sâu vừa đủ cho một đốt ống vách thì ngừng đào và lắp ngay một vòng bản vách mới nhằm đề phòng sụt đất vách cọc. Nếu đất lòng cọc tốt thì có thể lắp chậm hơn. Xem hình vẽ và ảnh trong hình 4 a và b 

Trong quá trình đào nếu gặp nơi có nước ngầm hoặc nước do trời mưa thì phải làm mái che và bơm hoặc tát nước tùy theo mức độ nước ngầm  nhiều hay ít.                                            

Cần chú ý về an toàn lao đông đề phòng vật rắn rơi xuống lỗ cọc trong đó công nhân đang làm việc và nhất là đề phòng khí độc có thể xuất hiện trong đáy lỗ cọc khi lỗ cọc đào xuống sâu, cắt qua lớp đất và giải phóng khí độc vào trong hố.. 

Hơi thở của công nhân cũng làm tăng nồng độ CO2 trong hố. Trong trường hợp đó có thể gây nguy hiểm cho công nhân đang thi công. Để đề phòng khí độc, người ta xử dung một thiết bị rất đơn giản nhưng có hiệu quả là quạt hút khí như giới thiệu trong hình 5 sau đây :
  Một chiếc quạt điện hút khí theo chiều từ dưới lên lắp vào đáy một bình nhựa. Đầu bình nhựa quay xuống dưới lồng vào một ống nhựa dài, ống này dòng xuống tận đáy lỗ cọc nơi công nhân đang làm việc. Khí độc thường có tỷ trọng lớn hơn không khí và đọng ở đáy lỗ , khi quạt hoạt động nó sẽ hút khí độc lên mặt đất 

không khí trong lành từ trên lùa vào làm loãng không khí độc dần dần và làm trong lành môi trường lao động cho công nhân.

Trong quá trình đào lúc gần xong, cần liên tục theo dõi cao độ đáy lỗ cọc. Khi cao độ đào đã phù hợp với thiết kế thì tiến hành sửa sang đáy lỗ cho bằng phẳng và chuyển sang bước tiếp theo.

Hình 5  Quạt hút khí độc ở đáy lỗ cọc

2.5         Đổ bêtông lót đáy cọc

Một lớp bêtông mỏng 5cm được đổ phủ lên mặt đáy lỗ cọc sao cho mặt trên của lớp này vừa đúng bằng cao độ thiết kế. Lớp bêtông này có tác dụng làm sạch sẽ trong lòng cọc khi đặt cốt thép và đổ bêtông thân cọc, không bị các tạp vật trong đất đáy lỗ bị cuốn lẫn vào bêtông thân cọc khi giòng bêtông đầu tiên trút vào đáy hố..

2.6         Đặt cốt thép cọc và ống bơm vữa tiếp xúc

Lồng cốt thép cũng được làm thủ công bằng cách đưa các đai và thanh thép dọc vào lòng lỗ đào rồi buộc tại chỗ.

Sau khi buộc cốt thép phải tiến hành lắp đặt các ống bơm vữa tiếp xúc. 

Bơm vữa tiếp xúc là một công đoạn cần thiết đối với cọc Shinso, ý nghĩa của nó sẽ được nói đến trong mục bơm vữa tiếp súc. Các ống bơm vưa tiếp xúc là các ống poly-vinyl chloride đường kính 32mm được buộc gá vào cốt thép như trên hình 6. Các ống này được đưa thẳng lên mặt đất , đầu dưới được đưa ra ngoài ống vách qua một lỗ khoan trên thân ống vách.

Hình 6  Đặt cốt thép và ống bơm vữa tiếp xúc

Nguyên tắc đặt các ống bơm vữa tiếp xúc là đảm bảo khi bơm, vữa được đẩy ra mặt ngoài ống vách ở các phia chung quanh ống vách và ở các tầng dần dần từ thấp đến cao. Ngoài ra bên cạnh ống bơm vữa phải có ống thăm dò vữa đó là những ống có đầu ra khỏi ống vách đặt ở các phía thân cọc tại gần đỉnh cọc để  khi vữa đươc dâng lên đầy sẽ chịu vào ống để người kiểm tra biết rằng vữa đã được bơm đầy.

Để đảm bảo vữa bơm ra đều các phía ống vách thường với cọc đường kính tới khoảng 2.5m có thể đặt theo 4 hướng của ống vách, mỗi hưởng vữa bơm sẽ tỏa ra một phạm vi ¼ cung tròn. Còn theo chiều đứng bố trí các lỗ đầu ra của ống vữa ở các tầng cao độ cách nhau khoảng 2 đến 3 m tùy theo chiều dài của cọc.

2.7         Đổ bêtông thân cọc

Sau khi hoàn thành đặt cốt thép và ống bơm vữa tiếp xúc cần tổ chức đổ bêtông ngay, tránh để lâu cốt thép bị rỉ và có những tạp vật có thể rơi xuống lỗ cọc. 

Trong khi chờ đợi, nên che đậy miệng lỗ bằng vải bạt. Xem sơ đồ đổ bêtông hình 7, 8.

Việc cung cấp bêtông tùy theo địa hình cụ thể mà lựa chọn phương pháp và thiết bị. Nói chung nên làm đường công vụ và dùng xe trộn bêtông để chuyên chở bêtông từ trạm trộn tới vị trí thi công cọc.

Từ xe trộn bêtông đưa bêtông vào lỗ cọc thì tùy theo địa hình 

mà bố trí cách và phương tiện cho thích hợp.

Hình 7  Sơ đồ bố trí đổ bêtông thân cọc

Nếu địa hình tương đối thuận lợi, nghĩa là có thể làm đường công vụ cho máy bơm bêtông chạy tới gần công địa thì dùng xe trộn đưa bêtông vào máy bơm bêtông có vòi , máy này bơm 

thẳng bểtông vào lòng cọc, tốc độ thi công sẽ nhanh.

Hình 8 sau đây là thực hiện theo cách đó.

Hình 8  Đổ bêtông thân cọc bằng xe trộn+máy bơm bêtông

Hình 9  Đổ bêtông thân cọc bằng xe trộn+máng rót bêtông

Khi địa hình chật hẹp không đảm bảo đưa xe bơm đến được công địa thì dùng máng rót bêtông từ xe trộn xuống lỗ cọc như trong hình 9

Khi dùng máng rót bêtông, ở cuối máng là một phễu, và ống dẫn. Ống dẫn có thể dùng kiểu ống ghép bằng các đoạn ống hình côn như trên hình 6 hoặc dùng ống nhựa như trên hình 10 dưới đây :

Hình 10  Đưa bêtông xuống đáy cọc bằng ống nhựa

Về lý thuyết dùng ống dẫn ghép bằng các đoạn ống hình côn có lợi hơn ở chỗ bêtông bị hạn chế tốc độ rơi tự do nhờ đó khi bêtông xuống đến đáy lỗ cọc không bị phân rời đá và vữa. Tuy nhiên khi áp dụng ống nhựa tuy không có các vách nghiêng của ống như trong loại ống nói trên nhưng cũng không làm giảm chất lượng đổ bêtông bao nhiêu. Hiện nay bêtông dùng cho các công trình thường có xử dụng phụ gia, với độ sut khá lớn để chảy linh hoạt trong các ống dẫn. Những bêtông như vậy khi chẩy qua ống xuống đến đáy vẫn giữ được tính dẻo nhuyễn như lúc đầu.

2.8         Bơm vữa tiếp xúc

Thực hiện cách đào lỗ cọc như nói trên, bao giờ lỗ cọc cũng rộng hơn thân cọc giới hạn bởi ống vách, nói cách khác sau khi đổ bêtông thân cọc giữa cọc và đất nền còn tồn tại một khoảng tróng như chỉ rõ trong các hình vẽ 6, 7. 

Hình 11  Kiểm tra độ linh động của vữa bơm

Do có khoảng trống này mặt bên cọc chưa tựa sát vào đất nền, khiến cho sức chịu lực của cọc và của móng cầu nói chung bị giảm yếu.

Đối với những cọc đường kính lớn yếu tố tựa mặt bên của cọc vào đất nền có vai trò rất quan trọng và luôn được xét tới trong các mô hình tính toán vì thế thi công phải đảm bảo được các giả thiết trong mô hình tính toán đó. Bơm vữa tiếp xúc có mục đích đưa vật liệu vữa vào lấp đầy khoảng trống giữa cọc và đất nền, tăng cường sự dính bám và ép chặt của cọc với đất.

Vữa bơm được chuẩn bị với yêu cầu đảm bảo có cường độ cần thiết và có độ linh động đủ để bơm qua các đường ống. Trước hết vưa phải được đo độ linh động bằng một phễu thử như trong hình 11  

           

Độ linh động của vữa được đo bằng thời gian tính bằng giây khi cho một thể tích vữa tiêu chuẩn chẩy hết qua một lỗ phễu tiêu chuẩn. Thường để bơm vữa tiếp xúc vào các cọc Shinso qua ống f 32mm độ linh đông là 25’’.

Vữa tiếp xúc là vữa trộn bằng ximăng portland với bentonite và nước theo tỷ lệ hỗn hợp như trong bảng 1 dưới đây :

Cường độ	Ximăng Portland	Nước	Bentonite
N/mm2	Kg	Lít	Kg
3.0	500	827	35

Bảng 1 Hỗn hợp vữa tiếp xúc

Vữa được trôn từ máy trộn, đổ vào một máng chứa, từ máng chứa này một máy bơm sẽ bơm vữa vào ống đầu vào của hệ thống ống Poly-vinyl chloride. 

Với áp lực bơm từ 6~8 Kg/cm2 vữa sẽ qua đường ống ép đầy vào các khoảng trống giữa mặt ngoài ống vách và đất. Khi vữa dâng cao đến miệng ống kiểm tra, nó sẽ chiu vào và dâng cao trong ống.

Thăm dò ống kiểm tra có thể biết được kết quả bơm có lấp đầy khoảng trống không. Trên hình 12 là sơ đồ bơm vữa tiếp xúc

Hình 12  Sơ đồ và Bố trí bơm vữa tiếp xúc một cọc Shinso

Trong cuộc bơm vữa tiếp xúc nên tổ chức theo dõi thể tích vữa đã được bơm vào khoảng trông giũa cọc và đất nền để có những dữ liệu kinh nghiệm về thi công.

Kết thúc bơm vữa tiếp xúc có chất lượng sẽ tăng cường chất lượng chịu lực của cọc Shinso rất nhiều đặc biệt là tăng cường khả năng chịu lực ngang của cọc.

2.4         Đổ lớp bêtông lót đáy bệ và hoàn thành thi công phần móng

Như  trên đã trình bầy, cao độ đầu cọc được xác định chính xác ngay từ đầu quá trình thi công bằng cách định vị vòng bản vách đầu tiên với một khối bêtông định vị. Cao độ đỉnh cọc thường chỉ cao hơn cao độ đáy bệ 10 cm và  không cần có động tác xử lý đầu cọc. Ở đây cũng không có yêu cầu chiều dài đầu cọc ngàm vào bệ như đối với cọc ống, các cốt thép trong cọc vươn dài vào trong bệ sẽ liên kết cọc với bệ thành một kết cấu thống nhất.

Hình 13 sau đây cho thấy hình ảnh các cọc trong một bệ trụ đã được thi công xong lớp bêtông lót và sẵn sàng để buộc cốt thép và ghép ván khuôn bệ cọc.

Hình 13  Lớp bêtông lót đáy bệ cọc vàtrạng thái sẵn sàng thi công bệ

Hy vọng các nhà thi công cầu nước ta sẽ áp dụng một cách sáng tạo phương pháp cọc ShinSo trong trường hợp thích hợp. Chúc các bạn thành công.

PGS.TS. Phan Vỵ Thủy