Cọc khoan nhồi cho trụ cầu được làm theo một chuỗi cố định: định vị và hạ ống vách thép, khoan lấy đất trong khi giữ thành hố bằng dung dịch khoan, làm sạch đáy hố, hạ lồng cốt thép, rồi đổ bê tông từ đáy lên bằng ống dẫn ngập sâu trong bê tông, đổ liên tục cho tới khi bê tông tốt trào lên quá cao độ đầu cọc. Mỗi bước đều có một rủi ro riêng, và phần lớn khuyết tật của cọc sinh ra ở khâu làm sạch đáy và khâu đổ bê tông.
Ở móng nhà cao tầng, cọc khoan nhồi thường làm trên cạn. Ở trụ cầu, cọc hay nằm giữa dòng sông, đường kính lớn hơn, dài hơn và phải xuyên qua lớp bùn, cát chảy trước khi tới tầng chịu lực. Bài này kể lại trình tự đó theo góc nhìn của người làm hiện trường, để người mới vào nghề hình dung được vì sao từng thao tác lại được làm như vậy. Phần giám sát và thử tải cọc là nghề riêng của tư vấn giám sát, ở đây chỉ nhắc khi cần.
Vì sao trụ cầu hay dùng cọc khoan nhồi đường kính lớn
Một trụ cầu nhận về móng toàn bộ trọng lượng của các nhịp hai bên, của xe chạy trên cầu, cộng thêm lực ngang do dòng chảy, do tàu va, do động đất và do hãm phanh. Tải tập trung rất lớn trên một diện tích bệ hẹp, trong khi đất đồng bằng Việt Nam thường có hàng chục mét bùn sét yếu ở trên. Muốn đưa tải xuống tầng cát chặt hoặc đá gốc, người ta cần những cây cọc vừa dài vừa to.
Cọc đóng bị giới hạn bởi sức chở của búa và chiều dài vận chuyển, còn cọc khoan nhồi thì đường kính và chiều sâu chỉ phụ thuộc vào máy khoan. Ở các cầu trung bình, cọc trụ thường gặp đường kính khoảng 1 đến 1,5 m; ở cầu lớn qua sông rộng có thể từ 2 m trở lên và dài vài chục mét. Một cọc đường kính lớn thay được nhiều cọc nhỏ, nên bệ trụ gọn hơn, vòng vây làm bệ cũng nhỏ hơn.
Cái giá phải trả là chất lượng thân cọc nằm khuất hoàn toàn dưới đất và nước, không nhìn thấy được khi đổ. Vì vậy biện pháp thi công cọc khoan nhồi trên sông luôn được lập rất kỹ, có quy trình cho từng bước, và đơn vị thi công phải là đội có kinh nghiệm với đúng loại máy, đúng loại địa chất đó.
Chuẩn bị mặt bằng khoan: sàn đạo, xà lan hay đảo đắp
Trước khi máy khoan được mũi đầu tiên, phải có một chỗ đứng ổn định cho máy khoan, cẩu, trạm dung dịch và kho lồng thép. Trên sông có ba cách làm thường gặp:
- Đắp đảo nhân tạo khi nước nông và dòng chảy yếu: đắp cát hoặc đất có kè bảo vệ quanh vị trí trụ, máy đứng trên đảo như trên cạn. Rẻ và đơn giản, nhưng làm thu hẹp dòng chảy và có thể bị xói khi lũ lên.
- Sàn đạo trên cọc thép tạm: đóng cọc ống thép, lắp dầm và mặt sàn thép làm nền cho máy. Dùng khi nước sâu vừa phải, cần mặt bằng chắc để khoan nhiều cọc, và thường nối với cầu tạm thi công chạy từ bờ ra.
- Khoan trên xà lan hoặc phao ở nước sâu, dòng chảy mạnh: máy đặt trên xà lan neo giữ bằng tời và cọc định vị. Cách này linh hoạt nhưng xà lan dập dềnh theo sóng và thuỷ triều nên việc giữ đúng vị trí và độ thẳng đứng khó hơn.
- Khung định vị được lắp trên sàn đạo hoặc trên đỉnh cọc tạm, có các lỗ dẫn đúng toạ độ từng cọc. Ống vách được thả qua khung này để không bị lệch tim khi bắt đầu hạ.
Chọn cách nào phụ thuộc vào độ sâu nước, vận tốc dòng chảy, mùa lũ trong thời gian thi công và chuyện có phải giữ luồng cho tàu thuyền đi qua hay không. Đây là phần biện pháp do đơn vị thi công lập và được duyệt, người ngoài nhìn vào thường chỉ thấy một bãi thép lớn giữa sông mà không biết rằng chi phí và thời gian dựng nó có khi đáng kể.
Ống vách và dung dịch khoan: hai thứ giữ cho hố không sập
Ống vách là một ống thép dày được hạ xuống trước, xuyên qua lớp nước và lớp đất yếu ở trên cùng. Ở trên cạn, ống vách thường chỉ dài vài mét để giữ miệng hố; ở giữa sông nó phải dài tới mức cắm qua lớp bùn vào đất tốt hơn, nhiều khi dài hàng chục mét, và được hạ bằng búa rung. Ống vách vừa ngăn nước sông tràn vào hố, vừa dẫn hướng cho mũi khoan. Tuỳ thiết kế, ống vách được rút lên sau khi đổ bê tông hoặc để lại vĩnh viễn làm lớp áo cho phần cọc nằm trong nước và bùn.
Phía dưới ống vách, thành hố được giữ bằng dung dịch khoan, thường là bentonite hoặc polymer pha với nước. Nguyên lý đơn giản: mực dung dịch trong hố luôn được giữ cao hơn mực nước ngầm hoặc mực nước sông bên ngoài, nên dung dịch tạo áp lực đẩy ra thành hố, đồng thời bentonite thấm vào thành tạo một lớp màng mỏng bịt lỗ rỗng của đất cát. Khi mực dung dịch tụt xuống, chẳng hạn vì gặp hang hay lớp cát rất rỗng, thành hố có thể sập trong vài phút.
Vì vậy trạm dung dịch được quản lý như một dây chuyền: trộn, cho dung dịch nghỉ để trương nở, bơm vào hố, thu hồi dung dịch lẫn cát về bể lắng hoặc máy tách cát, rồi tái sử dụng. Các chỉ tiêu như khối lượng riêng, độ nhớt, hàm lượng cát và độ pH được đo thường xuyên theo chỉ dẫn kỹ thuật của dự án. Dung dịch quá đặc làm bám bẩn cốt thép, quá loãng thì không giữ được thành. Xả dung dịch thải thẳng xuống sông là việc không được phép, nên còn có khâu thu gom và xử lý.
Khoan, làm sạch đáy và kiểm hố trước khi hạ lồng thép
Máy khoan cọc trụ cầu thường là máy khoan xoay dùng gầu, hoặc máy khoan tuần hoàn ngược hút đất đá lên bằng dòng dung dịch khi cọc rất sâu, đường kính lớn hay phải khoan vào đá. Các điểm then chốt ở giai đoạn này:
- Ghi nhật ký địa chất theo từng mét: đất đá lấy lên được so với hồ sơ khảo sát. Nếu tới cao độ dự kiến mà chưa gặp tầng chịu lực như thiết kế, đơn vị thi công báo tư vấn thiết kế quyết định khoan sâu thêm, không tự dừng.
- Giữ độ thẳng đứng: cọc nghiêng làm sai vị trí đầu cọc và khó hạ lồng thép. Máy được cân chỉnh liên tục, nhất là khi khoan trên xà lan.
- Làm sạch đáy hố: sau khi khoan đủ sâu, phải chờ cho phần mùn khoan lắng xuống rồi vét hoặc thổi rửa bằng khí nén, thay dung dịch bẩn bằng dung dịch sạch. Lớp cặn còn lại dưới đáy làm mũi cọc tựa lên một lớp đệm mềm, cọc lún nhiều hơn tính toán.
- Đo hố: kiểm chiều sâu bằng thước dây có quả dọi ở nhiều điểm, kiểm độ dày lớp lắng; ở các dự án lớn có thể dùng thiết bị siêu âm vách hố để xem đường kính và độ thẳng.
- Không để hố chờ lâu: hố khoan xong nên được hạ lồng và đổ bê tông sớm nhất có thể. Để qua đêm hay qua ca dài là thêm thời gian cho cặn lắng và thành hố yếu đi.
Phần đánh giá độ lắng và nghiệm thu hố khoan theo biên bản là việc của tư vấn giám sát, đã có quy trình riêng. Người thi công cần hiểu rằng mỗi giờ chậm trễ giữa lúc khoan xong và lúc đổ bê tông đều làm tăng rủi ro cho đúng cây cọc đó.
Hạ lồng cốt thép dài hàng chục mét
Lồng thép của cọc trụ cầu dài và nặng nên thường được gia công thành nhiều đoạn trên bãi, rồi nối dần ngay trên miệng hố: cẩu đoạn thứ nhất thả xuống, treo tạm bằng thanh gác qua miệng ống vách, cẩu đoạn tiếp theo lên nối bằng hàn, buộc hay ống nối ren theo thiết kế, rồi thả tiếp. Mỗi mối nối là một lúc lồng thép treo lơ lửng trên hố, vì vậy thời gian nối càng ngắn càng tốt.
Trên lồng thép có các con kê bằng bê tông hoặc bánh xe nhựa gắn ở mặt ngoài để giữ lồng nằm giữa hố, bảo đảm lớp bê tông bảo vệ đủ dày quanh cốt thép. Lồng còn mang theo các ống thép nhỏ chạy dọc suốt chiều dài, dùng để sau này thả đầu dò siêu âm kiểm tra chất lượng bê tông thân cọc, có dự án thêm ống để bơm vữa xử lý mũi cọc. Các ống này phải được bịt đáy kín và nối thẳng, nếu bị bẹp hay đứt thì về sau không kiểm tra được.
Khi cẩu lồng thép dài, lồng dễ bị cong vênh nếu chỉ móc ở một điểm, nên người ta dùng hai cẩu hoặc dầm treo nhiều điểm để dựng lồng từ tư thế nằm sang tư thế đứng. Khu vực dưới lồng thép đang treo là vùng cấm người. Lồng hạ xong phải được neo giữ để không bị đẩy nổi lên khi bê tông dâng qua chân lồng, một sự cố thường gặp nếu tốc độ đổ quá nhanh.
Đổ bê tông dưới nước bằng ống dẫn: quy tắc ống luôn ngập
Bê tông cọc khoan nhồi được đổ qua một ống thép nối nhiều đoạn, thả xuống gần sát đáy hố, phía trên là phễu nhận bê tông. Lúc bắt đầu, trong ống có một nút ngăn để mẻ bê tông đầu tiên không trộn lẫn với dung dịch; khi phễu đầy, nút được thả, khối bê tông đầu lao xuống đáy, đẩy dung dịch sang hai bên và chôn ngay miệng ống. Từ đó trở đi bê tông mới luôn đi vào bên trong khối bê tông cũ và đẩy cả khối dâng lên, phần bê tông tiếp xúc với dung dịch luôn là lớp trên cùng.
Quy tắc sống còn là miệng ống phải luôn ngập trong bê tông một đoạn đủ sâu, nhiều chỉ dẫn kỹ thuật yêu cầu khoảng vài mét. Khi bê tông dâng, người ta rút ống và tháo bớt từng đoạn, nhưng phải đo cao độ mặt bê tông trước mỗi lần rút. Rút quá tay làm miệng ống thoát lên khỏi mặt bê tông, dung dịch và bùn lọt vào giữa thân cọc, tạo một lớp kẹp bùn mà sau này siêu âm mới phát hiện, và xử lý thì rất tốn kém.
Bê tông dùng cho cọc khoan nhồi phải chảy rất dẻo để tự lèn chặt mà không cần đầm, độ sụt lớn và thời gian giữ độ sụt đủ dài cho cả quá trình đổ. Việc đổ phải liên tục: một cọc lớn có thể cần hàng trăm mét khối, nghĩa là trạm trộn, xà lan chở bê tông, máy bơm và cẩu phải được bố trí dự phòng. Gián đoạn lâu giữa chừng là một trong những tình huống xấu nhất của nghề.
Bê tông được đổ vượt lên khỏi cao độ đầu cọc thiết kế một đoạn, vì lớp trên cùng lẫn cặn và dung dịch. Sau này, khi làm bệ trụ, đoạn bê tông kém chất lượng này được đập bỏ, chừa cốt thép chờ để liên kết với bệ.
An toàn khi thi công cọc khoan nhồi trên sông
Công trường cọc khoan nhồi trên sông tập trung nhiều mối nguy cùng lúc: nước sâu, máy nặng, cẩu lớn và những hố khoan miệng rộng. Những nguyên tắc không có ngoại lệ:
- Mọi người làm việc trên sàn đạo, xà lan đều mặc áo phao, đội mũ, đi giày chống trượt; mép sàn có lan can, có phao cứu sinh và xuồng trực.
- Miệng hố khoan và miệng ống vách luôn được che hoặc rào khi không thao tác. Một hố đường kính lớn đầy dung dịch là cái bẫy chết người.
- Vùng quay của cẩu, vùng dưới lồng thép và gầu khoan đang treo là vùng cấm; có người xi nhan cẩu được giao việc rõ ràng.
- Xà lan và sàn đạo được kiểm tra sức chịu tải khi đặt máy, kiểm tra neo giữ trước mùa lũ và trước mỗi đợt nước lớn.
- Không cho thợ xuống hố khoan dưới bất kỳ lý do nào. Việc dưới nước như cắt, kiểm tra chân ống vách chỉ do thợ lặn chuyên nghiệp có trang bị và quy trình riêng.
- Có phương án khi thời tiết xấu: dừng cẩu khi gió lớn, rút người khỏi xà lan khi sóng mạnh, chằng buộc thiết bị.
Những yêu cầu trên nằm trong biện pháp an toàn được duyệt cùng biện pháp thi công. Người mới vào nghề nên đọc biện pháp đó trước khi ra sàn đạo lần đầu, vì nhiều thao tác trông bình thường trên cạn lại trở thành nguy hiểm khi đứng giữa dòng nước.
Câu hỏi thường gặp
Cọc khoan nhồi trụ cầu khác cọc khoan nhồi nhà cao tầng ở điểm nào?
Nguyên lý giống nhau, nhưng cọc trụ cầu thường to hơn, dài hơn, nhiều khi khoan giữa sông nên cần sàn đạo hay xà lan, ống vách dài để vượt qua lớp nước và bùn. Cọc cũng chịu lực ngang lớn do dòng chảy, va tàu và xói lở nên phần trên thường được thiết kế kỹ hơn.
Vì sao không bơm hết nước rồi đổ bê tông khô như đổ cột?
Hố khoan sâu hàng chục mét trong đất có nước ngầm và cát chảy. Hút cạn dung dịch thì thành hố mất áp lực đỡ và sập ngay. Vì vậy hố luôn đầy dung dịch và bê tông được đổ dưới dung dịch bằng ống dẫn, đẩy dung dịch lên và ra khỏi hố.
Ống vách thép để lại trong cọc có lãng phí không?
Ống vách để lại vĩnh viễn tốn thép, nhưng ở đoạn cọc nằm trong nước và lớp bùn rất yếu, nó bảo vệ bê tông khi đổ và chống xói về sau. Thiết kế sẽ quyết định để lại hay rút lên dựa trên địa chất, chiều sâu nước, khả năng rút và chi phí.
Mất bao lâu để làm xong một cọc khoan nhồi trụ cầu?
Tuỳ đường kính, chiều sâu, địa chất và loại máy. Cọc trung bình trên cạn có thể xong trong một đến hai ngày tính từ khi khoan; cọc lớn khoan vào đá giữa sông có thể mất nhiều ngày. Phần đổ bê tông của một cọc thì thường phải xong liên tục trong một lần.
Cọc bị kẹp bùn thì xử lý thế nào?
Trước hết phải xác định vị trí và mức độ khuyết tật bằng siêu âm, khoan lấy lõi. Tuỳ kết quả, tư vấn thiết kế có thể yêu cầu khoan bơm vữa xi măng xử lý, bổ sung cọc mới cạnh cọc lỗi hoặc thay đổi bệ. Đây là quyết định kỹ thuật của thiết kế, không phải đơn vị thi công tự sửa.
Người mới vào nghề nên học gì trước để làm cọc khoan nhồi?
Nên đọc kỹ hồ sơ địa chất và bản vẽ cọc của công trình, hiểu chức năng dung dịch khoan và quy tắc ống đổ luôn ngập. Sau đó theo một kỹ sư có kinh nghiệm qua trọn vẹn vài chục cọc, ghi nhật ký từng bước, đó là cách nhanh nhất để thấy các tình huống thật.