Để đổ bệ trụ cầu nằm dưới mực nước sông, người ta đóng một vòng cọc ván thép bao quanh nhóm cọc, lắp các tầng khung chống bên trong, đào hoặc hút bùn tới cao độ cần thiết, đổ một lớp bê tông bịt đáy ngay dưới nước, chờ bê tông đủ cường độ rồi mới hút cạn nước để làm việc khô. Lớp bê tông bịt đáy chính là cái nút chặn không cho nước và bùn trào lên từ đáy khi khoang đã cạn.
Đây là khâu ít người ngoài ngành biết đến, vì khi cầu thông xe thì vòng vây đã được nhổ đi và bệ trụ chìm dưới nước. Nhưng với người làm thi công, vòng vây là một công trình tạm phải tính toán gần như một công trình thật: nó chịu áp lực nước, áp lực đất, lực dòng chảy, có khi cả va trôi khi lũ. Bài này đi qua trình tự và các điểm hay hỏng.
Bệ trụ là gì và vì sao phải làm trong khoang khô
Bệ trụ, còn gọi là bệ cọc hay đài cọc, là khối bê tông cốt thép lớn liên kết đầu tất cả các cọc thành một khối, rồi trên đó mới dựng thân trụ. Bệ phân phối tải từ thân trụ xuống từng cọc, nên cốt thép của nó dày đặc và chất lượng bê tông phải đồng đều. Ở nhiều cầu, đỉnh bệ được đặt dưới mực nước thấp nhất hoặc dưới đáy sông để tránh cản dòng chảy và giảm nguy cơ tàu va.
Đổ một khối bê tông cốt thép như vậy dưới nước thì không làm được: không buộc được cốt thép chuẩn, không đập được đầu cọc, không kiểm tra được gì. Vì thế phải tạo ra một khoang khô quanh vị trí bệ. Khi nước nông và đáy sông là đất sét ít thấm, có khi chỉ cần đắp đê quây và bơm nước. Nhưng ở sông sâu, nền cát hoặc bùn, cách làm phổ biến nhất là vòng vây cọc ván thép, hoặc thùng chụp bằng thép hay bê tông đúc sẵn rồi hạ xuống.
Điểm cần hiểu từ đầu là áp lực nước tăng theo chiều sâu. Một khoang khô sâu khoảng mười mét dưới mặt nước chịu áp lực ở đáy lớn hơn nhiều lần so với chỗ nông. Mọi chi tiết của vòng vây, từ chiều dài cọc ván, số tầng khung chống tới chiều dày lớp bịt đáy, đều xuất phát từ con số đó và từ địa chất đáy sông.
Cọc ván thép và khung chống: bộ xương của vòng vây
Cọc ván thép là những tấm thép cán định hình, hai mép có khoá móc vào nhau, đóng liên tiếp thành một bức tường kín. Loại hay gặp ở công trường Việt Nam là dạng chữ U, thợ quen gọi theo tên một dạng tiết diện quốc tế. Các thành phần của một vòng vây:
- Khung định vị: một khung thép lắp trên các cọc tạm hoặc gối lên chính các cọc khoan nhồi đã làm, giúp cọc ván được đóng thẳng hàng, khép kín đúng chu vi.
- Cọc ván: được hạ bằng búa rung treo trên cẩu, đóng theo từng cặp hoặc từng nhóm để khoá không bị tuột. Chiều dài cọc ván phải đủ cắm sâu xuống dưới đáy hố móng, vừa để chống trượt chân, vừa để kéo dài đường thấm của nước từ ngoài vào.
- Khung chống: các dầm vành chạy quanh mặt trong vòng vây và các thanh chống ngang, chống chéo, lắp thành từng tầng theo chiều sâu. Khung chống nhận áp lực nước và đất ép vào tường cọc ván. Tầng dưới cùng thường chịu lực lớn nhất.
- Góc vòng vây: nơi khó khép kín nhất, thường dùng cọc góc chế tạo riêng. Góc hở là chỗ nước và cát chui vào đầu tiên.
- Bậc thang, sàn công tác, lan can: lối lên xuống an toàn cho người làm việc bên trong, không leo trèo theo khung chống.
Trình tự lắp khung chống đi kèm trình tự hút nước hoặc đào đất: hạ đến đâu lắp tầng chống đến đó. Hút nước hết một lần rồi mới lắp chống là sai lầm có thể làm vòng vây biến dạng hoặc sập. Kích thước tiết diện, khoảng cách tầng chống đều do tính toán biện pháp quyết định.
Đào trong vòng vây và đổ bê tông bịt đáy dưới nước
Sau khi cọc ván khép kín và lắp xong các tầng chống phía trên, đất bùn bên trong được lấy ra bằng gầu ngoạm hoặc máy hút bùn, trong lúc vòng vây vẫn còn đầy nước. Giữ nước bên trong lúc đào là có chủ ý: áp lực nước bên trong cân bằng với bên ngoài, đáy hố không bị đẩy trồi và cát không bị cuốn vào qua chân cọc ván. Khi đào tới cao độ đáy lớp bịt đáy, thợ lặn kiểm tra và làm sạch đầu cọc, mặt trong cọc ván ở vùng tiếp giáp.
Bê tông bịt đáy được đổ dưới nước bằng phương pháp ống dẫn, giống như đổ cọc khoan nhồi nhưng trên một diện tích rộng: nhiều ống đặt theo lưới, đổ đồng thời hoặc lần lượt sao cho mặt bê tông dâng đều. Lớp này không có cốt thép, không tham gia chịu lực của bệ trụ về sau. Nhiệm vụ duy nhất của nó là làm một tấm nút đủ nặng và đủ bám vào cọc, vào cọc ván để khi hút cạn nước, áp lực nước đẩy từ dưới lên không đẩy được nó lên.
Chiều dày lớp bịt đáy vì thế được tính theo độ sâu khoang khô, lực bám giữa bê tông với thân cọc và với cọc ván, cùng trọng lượng của chính nó. Lớp quá mỏng có thể bị đẩy nổi hoặc nứt, nước phun lên qua vết nứt hoặc qua khe giữa bê tông và cọc. Bịt đáy dày quá thì tốn bê tông, tăng chiều sâu phải đào. Đây là một phép tính của thiết kế biện pháp, không phải số tự chọn tại hiện trường.
Hút nước, đập đầu cọc và đổ bệ: trình tự trong khoang khô
Khi bê tông bịt đáy đạt cường độ theo yêu cầu của biện pháp, các bước tiếp theo đi theo thứ tự:
- Hút nước từ từ, theo dõi mực nước, quan sát tường cọc ván và khung chống. Nếu thấy khung chống cong, cọc ván phình hoặc nước chảy mạnh qua khe, dừng hút và báo kỹ sư biện pháp.
- Xử lý các điểm rò rỉ ở khoá cọc ván bằng vật liệu chèn, các điểm nước phun ở đáy bằng ống dẫn tạm và vữa bịt. Một ít nước rỉ là bình thường, có hố thu và máy bơm thường trực.
- Đập bỏ đoạn bê tông kém chất lượng ở đầu cọc khoan nhồi tới cao độ thiết kế, nắn lại cốt thép chờ. Đây là việc nặng và ồn, thợ phải đeo kính, nút tai, găng tay.
- Làm lớp bê tông lót mỏng trên mặt bịt đáy để có mặt bằng phẳng sạch cho việc buộc cốt thép.
- Lắp cốt thép bệ, ván khuôn, các chi tiết chờ cho thân trụ, ống làm lạnh nếu bệ là khối lớn.
- Đổ bê tông bệ, thường liên tục hoặc chia lớp theo biện pháp; bảo dưỡng và theo dõi nhiệt nếu khối lớn.
- Khi bệ và đoạn thân trụ dưới nước đủ cường độ, bơm nước trở lại vào khoang trước khi tháo khung chống, rồi mới nhổ cọc ván.
Bước cuối hay bị làm tắt: tháo khung chống khi khoang còn khô có thể làm áp lực bên ngoài ép đổ tường cọc ván vào bệ vừa đổ. Cân bằng nước trước rồi mới tháo là nguyên tắc an toàn.
Vòng vây cọc ván, thùng chụp hay đảo đắp: so sánh ba cách
Cọc ván thép không phải lựa chọn duy nhất. Bảng sau so sánh ba cách tạo khoang khô thường gặp ở mức nguyên lý:
| Cách làm | Hợp với | Điểm mạnh | Điểm yếu |
|---|---|---|---|
| Đắp đảo, đê quây đất | Nước nông, dòng chậm, đáy ít thấm | Vật liệu rẻ, thiết bị đơn giản | Lấn dòng chảy, dễ xói khi lũ, khó dùng khi nước sâu |
| Vòng vây cọc ván thép | Nước sâu vừa, đáy cát, sét, bùn đóng được cọc | Cọc ván thu hồi dùng lại, linh hoạt kích thước | Không đóng được vào đá, rò rỉ ở khoá, phải tính khung chống kỹ |
| Thùng chụp thép hoặc bê tông | Nước sâu, đáy đá hoặc cọc ván khó cắm | Chế tạo trên bờ, hạ xuống nhanh, kín nước tốt | Cần cẩu lớn hoặc nổi hạ, chi phí chế tạo cao, khó thu hồi |
| Giếng chìm | Móng nông trên nền tốt, hoặc công trình đặc biệt | Vừa là vòng vây vừa là một phần móng | Hạ khó kiểm soát độ nghiêng, ít dùng cho cầu thông thường hiện nay |
Trên thực tế, một cây cầu có thể dùng nhiều cách: trụ gần bờ đắp đảo, trụ giữa sông dùng vòng vây cọc ván hoặc thùng chụp. Quyết định dựa trên khảo sát địa chất, thuỷ văn và thiết bị sẵn có của nhà thầu, được thể hiện trong hồ sơ biện pháp thi công.
Sự cố hay gặp ở vòng vây và dấu hiệu báo trước
Vòng vây là kết cấu tạm, nên dễ bị xem nhẹ. Những sự cố dưới đây đều có dấu hiệu sớm nếu có người theo dõi:
- Bục đáy, cát trào: nước ngầm đẩy cát lên qua đáy hố khi hút nước mà chưa có bịt đáy hoặc bịt đáy quá mỏng. Dấu hiệu: nước đục bất thường, những đốm sủi cát ở đáy.
- Khung chống mất ổn định: thanh chống cong, mối hàn nứt, dầm vành tách khỏi cọc ván. Thường do lắp thiếu tầng, hút nước nhanh hơn trình tự hoặc do máy móc va vào chống.
- Rò rỉ lớn ở khoá cọc ván: khoá bị tuột khi đóng, nhất là khi gặp vật cản. Nước vào nhiều hơn công suất bơm làm ngập khoang.
- Lũ tràn đỉnh vòng vây: đỉnh cọc ván thấp hơn mực nước lũ có thể xảy ra trong thời gian thi công. Phải có cao độ dự phòng và kế hoạch rút người, thiết bị.
- Va trôi: cây, bè, xà lan trôi tự do va vào vòng vây khi lũ. Cần phao chắn, đèn báo ban đêm và người trực.
Người làm việc trong khoang khô phải có đường thoát hiểm nhanh lên mặt sàn, có người trực bên ngoài, áo phao để sẵn. Mọi dấu hiệu bất thường đều là lý do để dừng việc và rút người trước, sau đó mới tìm nguyên nhân.
Nhổ cọc ván, hoàn trả lòng sông và những gì còn lại dưới nước
Khi bệ trụ và đoạn thân trụ dưới nước đã xong, vòng vây hết nhiệm vụ. Việc tháo dỡ đi ngược trình tự lắp: cho nước vào khoang để cân bằng áp lực, tháo dần các tầng khung chống từ dưới lên, rồi dùng búa rung nhổ từng cặp cọc ván. Nhổ cọc ván cũng có rủi ro riêng: cọc kẹt chặt trong bê tông bịt đáy hoặc trong lớp sét, búa rung làm việc quá lâu làm nóng máy và đứt cáp. Biện pháp thường cho phép cắt bỏ những cọc không nhổ được ở cao độ đủ sâu dưới đáy sông.
Lớp bê tông bịt đáy ở lại vĩnh viễn quanh chân bệ. Ở nhiều cầu, nó cùng với đá hộc thả quanh trụ tạo thành một lớp bảo vệ chống xói. Những gì nằm cao hơn đáy sông tự nhiên, như đầu cọc tạm của khung định vị, phần cọc ván bị gãy, phải được dọn sạch để không thành chướng ngại cho tàu thuyền và lưới đánh cá.
Cuối cùng, đơn vị thi công đo lại địa hình lòng sông quanh trụ, so với hiện trạng trước khi thi công và với yêu cầu của thiết kế về cao độ đáy, lưu vào hồ sơ hoàn công. Những số liệu này là mốc ban đầu để đơn vị quản lý cầu theo dõi xói trụ trong nhiều năm khai thác sau đó.
Câu hỏi thường gặp
Bê tông bịt đáy có cần đạt chất lượng như bê tông bệ không?
Bê tông bịt đáy không có cốt thép và không chịu lực của cầu về sau, nhưng vẫn phải đạt cường độ theo thiết kế biện pháp, đổ liên tục và đặc chắc để không rò nước. Bê tông dùng cho đổ dưới nước cần độ chảy cao và ít bị phân tầng.
Có thể làm bệ trụ mà không cần bịt đáy không?
Có trong một số trường hợp: đáy hố là sét chặt ít thấm, độ sâu khoang khô nhỏ, hoặc bệ đặt cao trên mực nước như bệ cao. Khi đó có thể hút nước trực tiếp. Việc bỏ bịt đáy phải được tính toán và ghi trong biện pháp, không quyết định theo cảm giác.
Cọc ván thép sau khi nhổ lên có dùng lại được không?
Thường dùng lại được nhiều lần nếu không bị cong vênh nặng hay hỏng khoá. Nhổ bằng búa rung cũng có rủi ro: cọc ván kẹt trong bê tông bịt đáy hoặc bị đất ôm chặt. Một số dự án chấp nhận cắt bỏ để lại phần dưới đáy sông.
Vì sao đào đất trong vòng vây lại giữ nguyên nước bên trong?
Giữ nước bên trong giúp áp lực hai bên tường cọc ván cân bằng, đáy hố không bị đẩy trồi và cát không bị dòng thấm cuốn vào qua chân cọc ván. Chỉ sau khi có lớp bịt đáy đủ cường độ mới hút cạn để làm khô.
Ai chịu trách nhiệm tính toán vòng vây?
Vòng vây là công trình tạm thuộc biện pháp thi công, thường do nhà thầu thi công hoặc đơn vị tư vấn nhà thầu thuê tính toán, rồi trình tư vấn giám sát và chủ đầu tư xem xét theo quy định của dự án. Thiết kế cầu cung cấp số liệu địa chất, thuỷ văn làm đầu vào.