Tổng quan về thiết kế-Thi công hố đào sâu, công trình ngầm

Khoa hoïc Coâng ngheä26
Số 11, tháng 12/2013 26
TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ - THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU,
CÔNG TRÌNH NGẦM
Lê Hoàng Việt *
Tóm tắt
Nhu cầu sử dụng không gian ngầm dưới mặt đất để xây dựng công trình và xây chen trong các đô thị 
ngày càng phổ biến và cấp thiết, đặc biệt là các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh. 
Trong khoảng thời gian từ những năm 2000 đến nay, việc thiết kế, thi công các công trình ngầm ở một số 
công trình đã gây ra những sự cố làm hư hỏng nghiêm trọng các công trình lân cận. Trong bài viết, tác 
giả trình bày một cách tổng quan nhất về những đặc điểm, các lọai kết cấu tường chắn, những nguyên 
tắc cơ bản về thiết kế và trình tự tính toán thiết kế thi công hố đào sâu, công trình ngầm.
Từ khóa: Thiết kế, Thi công, Hố đào sâu, Công trình ngầm, Tường chắn đất.
Abstract
The use of underground space for construction is increasingly common and urgent in the urban, 
especially in big cities such as Ha Noi and Ho Chi Minh. From the year 2000, the execution of some un-
derground construction projects has faced significant damages affecting neighboring buildings. This 
paper generally introduces specifications and structure of guard walls, basic principles in design and 
process of constructive calculation for the deep excavations and underground works.
Keywords: Desgin, Construction, Deep excavations, Underground, Retaining walls.
* Thạc sĩ - Khoa xây dựng – Trường Đại học Xây dựng Miền Tây
1. Đặt vấn đề
Tốc độ phát triển đô thị rất nhanh ở các thành 
phố lớn của nước ta như Thủ đô Hà Nội, TP.HCM 
trong những năm qua làm cho diện tích đất xây 
dựng ngày càng bị thu hẹp đáng kể. Để đáp ứng 
nhu cầu xây dựng các công trình phục vụ cho đời 
sống dân sinh ở các thành phố đã và đang khai 
thác không gian ngầm dưới mặt đất như công 
trình dân dụng từ 4-6 tầng hầm, công trình giao 
thông sử dụng tàu điện ngầm sâu dưới mặt đất đến 
hàng chục mét; để sử dụng có hiệu quả không gian 
ngầm và đảm bảo an toàn các công trình lân cận, 
việc nghiên cứu, phân tích đánh giá các giải pháp 
thiết kế thi công các loại công trình này là hết sức 
cần thiết.
2. Một số sự cố công trình ngầm
Do việc thiết kế và thi công các công trình hố 
móng sâu đôi khi ít được các đơn vị quan tâm 
đúng mức nên đã xảy ra một số trường hợp đáng 
tiếc, gây không ít thiệt hại về người và tài sản. Các 
sự cố có thể gặp như bị sạt lở hố móng, gây lún 
sụt, nứt nẻ và sụp đổ công trình lân cận. Sau đây 
là một số sự cố công trình liên quan đến hố đào, 
công trình ngầm:
- Ngày 26 tháng 7 năm 2007, toàn bộ căn nhà 
4 tầng lầu (số 792C đường Nguyễn Kiệm, quận 
Gò Vấp, TP. Hồ Chí Minh) đã sụp đổ do quá trình 
xây dựng hầm. Nguyên nhân được xác định là do 
tự ý đào hầm sâu 5m mà không có biện pháp thi 
công hợp lý bên cạnh địa chỉ 792A, 792B, cộng 
với những cơn mưa lớn trong nhiều ngày đã làm 
sập hoàn toàn căn nhà 792C đường Nguyễn Kiệm.
- Lúc 19 giờ 35 phút ngày 09 tháng 10 năm 
2007, toàn bộ khu nhà hơn 100m2 gồm một trệt, 
một lầu là văn phòng của tạp chí Khoa học Xã 
hội (thuộc Viện Khoa học Xã hội Nam Bộ, số 
49 đường Nguyễn Thị Minh Khai, Phường Bến 
Nghé, Quận 1, TP.HCM) đã đổ sập hoàn toàn. 
Hình 1. Căn nhà 4, 5 tầng số 792C sập năm 2007
Khoa hoïc Coâng ngheä 27
Số 11, tháng 12/2013 27
Nguyên nhân ban đầu xác định là do trong khi thi 
công công trình số 43-45-47 đường Nguyễn Thị 
Minh Khai (cao ốc Pacific) phần móng thì tường 
vây giáp ranh với Viện Khoa học Xã hội Nam Bộ 
bị thủng kéo theo nước, cát và một phần căn nhà 
trên bị đổ sụp.
3. Đặc điểm công trình hố đào sâu
Công trình hố đào sâu là một trong những loại 
công trình đặc biệt của ngành xây dựng và có 
những đặc điểm cơ bản như sau:
(1). Công trình sử dụng kiến thức của nhiều 
ngành khoa học về đất đá, về kết cấu và kỹ thuật 
thi công và các ngành khoa học tổng hợp đang còn 
chờ phát triển về mặt lý luận.
(2). Điều kiện địa chất của đất biến đổi trong 
phạm vi khá rộng, tiềm ẩn nhiều rủi ro rất phức 
tạp, tính không đồng đều của địa chất thủy văn ảnh 
hưởng rất lớn đến số liệu khảo sát, kết quả khảo 
sát có tính phân tán lớn, không đại diện được tổng 
thể cho địa chất của các tầng đất nên tính chính xác 
các số liệu khảo sát không cao làm khó khăn cho 
việc thiết kế thi công hố đào sâu và các công trình 
ngầm. Đặc biệt là trong điều kiện đất yếu, mực 
nước ngầm dâng cao và các điều kiện hiện trường 
phức tạp dễ sinh ra trượt lở đất, mất ổn định hố đào, 
chuyển dịch vị trí của tường chắn, đáy hố đào trồi 
lên, tường chắn bị rò rỉ nước do nước ngầm, ảnh 
hưởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng, 
các đường ống, công trình ngầm ở xung quanh.
(3). Công trình có khối lượng công việc rất 
lớn, giá thành cao, có kỹ thuật thi công rất phức 
tạp, phạm vi ảnh hưởng rộng, nhiều yếu tố biến đổi 
và nhiều rủi ro có thể xảy ra sự cố trong quá trình 
thi công. Để đáp ứng cho nhu cầu phát triển đô thị 
lớn và tập trung ở những khu đất nhỏ hẹp, dân cư 
đông đúc, điều kiện thi công khó khăn, không thể 
đào móng có mái dốc, yêu cầu phải đảm bảo ổn 
định các công trình lân cận và khống chế chuyển 
dịch là rất quan trọng.
4. Phân loại tường chắn, trình tự thiết kế, thi 
công hố đào sâu, công trình ngầm
4.1. Phân loại tường chắn hố đào
Hình 2. Hiện trạng tầng ngầm toà nhà Pacific,
TPHCM sau khi xảy ra sự cố
Hình 3. Viện Khoa học Xã hội Nam Bộ sau khi
xảy ra sự cố
Hình 4. Block 1, toà nhà HighLand Tower
(Malaysia) sập năm 1993
Hình 5. Toàn cảnh trạm bơm nước thải ở
Bangkok (Thái Lan) bị sập năm 1997
Hình 6. Sập hầm đường tàu điện ngầm (MRT)
tại Singapore, năm 2004
Khoa hoïc Coâng ngheä28
Số 11, tháng 12/2013 28
Tường chắn hố đào được phân loại theo 3 cách: 
phương thức đào; đặc điểm chịu lực của kết cấu; 
chức năng kết cấu. Cụ thể như sau:
4.1.1. Phân loại theo phương thức đào
(a). Đào hố không có chắn giữ
- Đào thẳng đứng
- Đào có mái dốc gồm có: đào có mái dốc khi 
không có nước ngầm; đào có mái dốc thoát nước 
bằng máng hở; đào có mái dốc khi hạ mực nước 
ngầm bằng giếng.
(b). Đào hố có chắn giữ
- Đào kiểu côngxon (có neo hoặc không có neo)
- Cọc bản thép, cọc ống thép, cọc bản bê tông 
cốt thép (BTCT).
- Cọc khoan nhồi BTCT, tường chắn đất tổ 
hợp bằng một hoặc hai hàng cọc nhồi khoan lỗ và 
bơm vữa hoặc cọc đất trộn vôi, cọc đất xi-măng, 
cọc bơm quay.
- Tường liên tục bằng BTCT, cọc đất trộn vôi, 
cọc đất xi-măng.
- Kết cấu chống giữ bằng giếng chìm, tường 
chắn kiểu trọng lực.
- Cọc chắn giữ đất cốt cứng: kiểu đào chắn giữ 
hình vòm, kiểu sử dụng các thanh chống, kiểu sử 
dụng kết cấu chắn giữ với neo đất (cọc chắn đất, 
kiểu bầu neo, đinh đất, thanh neo dự ứng lực và 
thanh neo không dự ứng lực).
(c). Đào kết hợp hai phương pháp (a) và (b)
Thi công theo trình tự: đầu tiên đóng cọc bản 
– đào ở phần giữa – đổ bê tông công trình ngầm ở 
giữa – thanh chống ngang và chéo – đào đất xung 
quanh và thi công tiếp.
(d). Đào ngược và bán ngược (Top down)
Theo trình tự: đầu tiên làm cọc nhồi hoặc tường 
chắn (cọc bản, barret, tường liên tục) – đổ bê tông 
từ sàn tầng trệt - sàn tầng hầm từ trên xuống và lợi 
dụng nó làm kết cấu chắn giữ.
(f). Đào có gia cố thành và đáy hố đào: gia cố 
thành hố đào bằng bơm vữa, màng hóa chất hoặc 
xi-măng đất kết hợp lưới thép, đinh đất, neo bằng 
bê tông, hoặc gia cố bằng bơm vữa dùng áp lực đất 
bị động ở đáy hố đào để giữ thành hố đào.
4.1.2. Phân loại theo kết cấu chắn giữ
(a). Kết cấu chắn giữ chịu áp lực bị động
- Cọc: cọc nhồi BTCT, cọc BTCT đúc sẵn, cọc 
trộn sâu, cọc phun quay, cọc nhào trộn.
- Bản: thép hình chữ I, bản BTCT hình chữ 
nhật, chữ C, bản composit,
- Ống: cọc thép ống có thanh neo, cọc BTCT 
có thanh neo.
- Tường: tường trong đất (đổ tại chỗ, đúc sẵn), 
tường trọng lực đất xi-măng.
- Chống: chống giữ bằng thép, BTCT, gỗ, 
(b). Kết cấu chắn giữ chịu áp lực chủ động.
- Phun neo để chắn giữ (bơm vữa, kéo neo, 
thanh neo,).
- Tường bằng đinh đất để chắn giữ (bao gồm 
cài thép gia cường).
4.1.3. Phân loại theo chức năng kết cấu
(a). Bộ phận chắn đất
- Kết cấu chắn đất thấm nước như: cọc thép, 
cọc nhồi, cọc tường hợp nhất, chắn giữ bằng đinh 
đất, bằng cài cốt gia cường.
- Kết cấu chắn đất ngăn nước như: tường liên 
tục trong đất, tường bằng cọc đất xi-măng hoặc 
cọc khoan nhồi, cọc bản thép hoặc cọc bản BTCT, 
tường vòm cuốn khép kín.
(b). Bộ phận giữ tường kiểu thanh chống 
và neo.
- Kiểu tự đứng (cọc, côngxon, tường).
- Neo kéo (dầm, cọc, neo kéo), neo đất.
- Chống xiên, chống bằng hệ dầm.
- Hệ dầm đai ở lưng tường.
- Thi công Top down.
Khoa hoïc Coâng ngheä 29
Số 11, tháng 12/2013 29
4.2. Trình tự thiết kế và thi công hố đào sâu và công trình ngầm
CÔNG TRÌNH HỐ ĐÀO SÂU
ĐIỀU TRA VÀ KHẢO SÁT ĐỊA KỸ THUẬT
Khảo sát địa chất công trình 
và địa chất thủy văn
Điều tra môi trường
xung quanh
Kiến nghị phương án đào
đất và chắn giữ hố đào
Giải pháp hạ mực nước
ngầm và các chú ý gì?
BÁO CÁO KHẢO SÁT
Đấu thầu thi công
So sánh chọn phương
án chắn giữ hố đào, hạ
mực nước ngầm,
Giá
thành
Phương
pháp đào
Phương
pháp chắn
giữ hố đào
Phương pháp
hạ mực nước
ngầm
Phương
pháp quan
trắc
Khả năng gây
sự cố, cách
khắc phục
Ảnh hưởng
công trình
xung quanh
Tiến
độ thi
công
CHỌN NHÀ THẦU THI CÔNG
Xác định sơ bộ phương án
Khi H>6m cần thẩm
định của chuyên gia
Thiết kế chắn giữ
Thiết kế hạ mực nước ngầm
ĐƠN VỊ THI CÔNG
ĐƠN VỊ THIẾT KẾ
QUAN TRẮC
XỬ LÝ HƯ HỎNG
Đạt
Không đạt
Thiết kế biện pháp thi công đào,
chắn giữ và hạ mực nước ngầm
Thi công đào, chắn giữ và hạ
mực nước ngầm
Thi công công trình ngầm
NGHIỆM THU
Lấp đất, thu hồi kết cấu chắn giữ
Bàn giao công trình ngầm
Kết thúc quá trình thi công hố đào
Hình 7. Sơ đồ trình tự thiết kế - thi công hố đào sâu và công trình ngầm
Khoa hoïc Coâng ngheä30
Số 11, tháng 12/2013 30
5. Nguyên tắc tính toán thiết kế hố đào sâu và 
công trình ngầm
5.1. Nguyên tắc thiết kế kết cấu chắn giữ hố đào
(1). An toàn, tin cậy: đảm bảo cường độ, ổn 
định, sự biến dạng của kết cấu chắn giữ, đảm bảo 
an toàn cho công trình xung quanh.
(2). Tính kinh tế: có giá thành hợp lý, hiệu quả 
kinh tế kỹ thuật rõ ràng trên cơ sở tổng hợp các tiêu 
chí: Thời gian thi công, vật liệu, thiết bị, nhân lực 
thi công và bảo vệ môi trường xung quanh.
(3). Thuận lợi và thời gian thi công: trên cơ 
sở độ tin cậy, hiệu quả kinh tế, điều kiện thi công 
thuận lợi nhằm rút ngắn thời gian thi công.
5.2. Đặc điểm thiết kế kết cấu chắn giữ hố đào
(1). Tính không xác định của ngoại lực: áp lực 
chủ động, áp lực bị động của đất và áp lực nước sẽ 
thay đổi theo điều kiện môi trường, phương pháp 
thi công, và giai đoạn thi công.
(2). Tính không xác định biến dạng: việc khống 
chế biến dạng là yếu tố rất quan trọng trong thiết 
kế tường chắn giữ, nhưng có rất nhiều yếu tố ảnh 
hưởng đến biến dạng như: độ cứng của tường, cách 
bố trí thanh chống (hoặc neo) và đặc tính mang tải 
của kết cấu, tính chất của đất nền, chất lượng thi 
công, các kết quả quan trắc hiện trường,
(3). Tính không xác định của đất: tính chất 
không đồng nhất của đất nền và phụ thuộc vào vị 
trí lấy mẫu, phương pháp thí nghiệm khác nhau 
và giai đoạn thi công khác nhau sẽ cho kết quả 
về tính chất của đất cũng khác nhau rất lớn, dẫn 
đến lực tính toán tác dụng lên tường cũng thay đổi 
khác nhau.
5.3. Nguyên tắc tính toán thiết kế kết cấu chắn 
giữ hố đào
Do nội lực và biến dạng tính toán trong các kết 
cấu chịu lực của cấu kiện chắn giữ luôn thay đổi 
theo sự biến thiên của quá trình thi công nên cần 
phải tính toán ở những giai đoạn đặc trưng nhất 
của quá trình thi công, đồng thời xét ảnh hưởng 
của giai đoạn thi công trước đến giai đoạn thi công 
sau khi tính toán nội lực và biến dạng này. Các 
thông số tính toán thiết kế tường chắn cơ bản gồm:
(1). Tính toán ổn định tổng thể của mái dốc 
hố đào.
(2). Tính toán ổn định do chuyển vị ngang theo 
hướng mặt bên của tường chắn.
(3). Tính toán ổn định trượt ở đáy chân tường 
và ổn định mặt trước của tường (do dỡ tải).
(4). Tính toán chống dòng thấm do áp lực nước 
ngầm tác động lên tường chắn và ở đáy hố đào.
(5). Dự báo độ lún và chuyển vị ngang của khu 
vực xung quanh làm ảnh hưởng đến công trình 
lân cận.
(6). Tính toán các điểm nối, mối nối của 
tường chắn.
(7). Tính toán hạ mực nước ngầm bên trong và 
bên ngoài hố đào trong từng giai đọan thi công.
(8). Chọn phương pháp đào tối ưu nhằm giảm 
thiểu phát sinh sự cố và ảnh hưởng đối với môi 
trường, với công trình lân cận.
5.4. Quan trắc
Quá trình thi công hố đào sâu và công trình 
ngầm phải thường xuyên quan trắc các công việc 
cụ thể sau:
(1). Biến dạng và nội lực của một số cấu kiện 
chống giữ chủ yếu như: Lực dọc trục của thanh 
chống, chuyển vị đứng và ngang ở đỉnh tường, 
đường cong biến dạng theo phương đứng của 
tường, độ lún hoặc sụt/trồi của các cọc độc lập.
(2). Biến dạng của khối đất xung quanh hố đào, 
độ ổn định của vách hố đào, sự thay đổi mực nước 
ngầm và áp lực nước lỗ rỗng, độ trồi và sụt ở đáy 
hố đào.
(3). Quan trắc độ lún, chuyển vị, của các 
công trình lân cận xung quanh.
6. Nhận xét – thảo luận
6.1. Nhận xét
(1). Hố đào sâu, công trình ngầm là lọai công 
trình đặc biệt. Việc tính toán, thiết kế, thi công các 
kết cấu chắn giữ hố đào sâu là rất đa dạng và luôn 
tiềm ẩn nhiều sự cố công trình, vì nó phụ thuộc vào 
rất nhiều yếu tố. Cần nhấn mạnh rằng không có 
loại công trình xây dựng nào mà các khâu từ khảo 
sát, thiết kế, thi công và quan trắc lại có yêu cầu 
nghiêm ngặt và gắn bó chặt chẽ như đối với công 
trình hố đào sâu của các công trình ngầm.
Khoa hoïc Coâng ngheä 31
Số 11, tháng 12/2013 31
(2). Việc tính toán thiết kế lọai công trình này 
được sử dụng kiến thức của nhiều ngành khoa học 
về đất đá, về kết cấu, về kỹ thuật thi công và các 
ngành khoa học tổng hợp khác.
(3). Kết quả khảo sát địa chất thủy văn, giải 
pháp thiết kế - tính toán (bằng phương pháp số và 
phương pháp phần tử hữu hạn), lọai kết cấu chắn 
giữ, phương pháp thi công, năng lực tổ chức thi 
công, điều kiện môi trường, kết quả quan trắc 
trong quá trình thi công,... ảnh hưởng rất lớn đến 
chất lượng công trình hố đào sâu, công trình ngầm.
6.2. Thảo luận
Điều kiện địa chất của nền đất biến đổi 
trong phạm vi khá rộng, ẩn dấu nhiều rủi ro rất 
phức tạp. Đặc biệt là trong điều kiện đất sét yếu 
bảo hòa nước, mực nước ngầm dâng cao và các 
điều kiện hiện trường phức tạp dễ sinh ra trượt lở 
đất, mất ổn định hố đào, chuyển dịch tường chắn, 
đáy hố đào trồi lên,  ảnh hưởng đặc biệt nghiêm 
trọng đến các công trình xây dựng, các đường ống, 
công trình ngầm ở xung quanh. Do đó khi thiết kế 
thi công các công trình loại này, các nhà thầu cần 
phải phân tích lựa chọn tối ưu hóa và có hệ thống 
cho hàng lọat các công việc như công tác khảo sát 
phục vụ thiết kế; xác định tải trọng tác dụng lên kết 
cấu chắn giữ; chọn loại kết cấu chắn giữ hố đào; 
giải pháp hạ mực nước ngầm; giải pháp quan trắc 
đo đạc chuyển vị và biến dạng kết cấu chắn giữ 
cũng như quan trắc các công trình lân cận trong 
suốt quá trình thi công. 
Tài liệu tham khảo
Nguyễn Bá Kế. 2010. Bài học từ sự cố sập đổ Viện Khoa học Xã hội vùng Nam Bộ ở thành phố 
Hồ Chí Minh. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng. Bộ Xây dựng. số 3/2010 (152). Trang.49-57.
Nguyễn Bá Kế. 2008. Thiết kế và thi công hố móng sâu. NXB Xây dựng. 
Nguyễn Bá Kế. 2010. Xây dựng công trình ngầm đô thị theo phương pháp đào hở. NXB Xây dựng.
Tuyển tập hội thảo khoa học. Tháng 8/2008. Công trình xây dựng có phần ngầm – Bài học từ các sự 
cố và giải pháp phòng chống. UBND TP. Hồ Chí Minh.