6 Sửa chữa và cải tạo cống

6.1 Đánh giá tình trạng cống hiện có

Việc đánh giá tình trạng cống hiện có là bước đầu quan trọng trong quá trình thiết kế phục hồi và cải tạo. Tất cả các yếu tố và chỉ số liên quan đến tình trạng hiện tại của cống và dòng chảy phải được xem xét để lựa chọn các phương pháp và công nghệ sửa chữa, cải tạo phù hợp. Việc lựa chọn này cũng phải cân nhắc đến tác động của các kỹ thuật cải tạo đến hiệu suất thủy lực của công trình và dòng chảy.

Các tài liệu tham khảo hữu ích cho việc đánh giá tình trạng cống bao gồm:

• Sổ tay Kiểm tra Cầu FHWA (FHWA 2006b),
• Sổ tay Kiểm tra Cống FHWA – Phụ lục cho Sổ tay đào tạo kiểm tra cầu (FHWA 1986b),
• Sổ tay Đánh giá và Quy trình ra quyết định của Cục Đường liên bang (FLH) (FHWA 2010b).

Thông tin trong chương này chủ yếu dựa trên tài liệu của FLH (Federal Lands Highway).

6.1.1 Quy trình Đánh giá và Ra quyết định của FLH đối với Cống

Quy trình đánh giá cống của FLH áp dụng cho các cống có nhịp nhỏ hơn 20 feet (khoảng 6 mét) và dễ dàng điều chỉnh cho các mục đích quản lý chương trình và lập danh mục. Quy trình này được phát triển nhằm cung cấp một đánh giá nhanh chóng về tình trạng cống trong một dự án đường bộ.

Quy trình đánh giá xác định tập hợp tối thiểu các tham số cần thiết để đánh giá hiệu quả tình trạng và hiệu suất của cống đối với nhiều loại kết cấu, vật liệu và ứng dụng khác nhau. Quy trình mô tả các tiêu chí xác định cho từng tham số, đưa ra hệ thống xếp hạng, và đề xuất phương pháp, công cụ đo đạc và ghi nhận dữ liệu. Ngoài ra, quy trình còn đánh giá sự ổn định và hiệu suất của kênh dòng liên quan đến cống.

Công cụ đánh giá cống của FLH, thường được gọi là đánh giá cấp độ 1 (Level 1), được dùng để đánh giá nhanh tình trạng và hiệu suất của cống.

• Tình trạng cống đề cập đến mức độ suy giảm vật lý của thân cống và các bộ phận liên quan.
• Hiệu suất cống đề cập đến chức năng của cống như một thiết bị dẫn dòng. Với sự quan tâm ngày càng tăng đến khả năng qua lại của sinh vật (AOP), hiệu suất của cống trong khía cạnh này cũng cần được xem xét.

Quy trình đánh giá cấp độ 1 có thể chỉ ra sự cần thiết phải điều tra sâu hơn, gọi là đánh giá cấp độ 2 (Level 2).
Đánh giá cấp độ 2 yêu cầu chuyên gia thuộc các lĩnh vực thủy lực, địa kỹ thuật, kết cấu hoặc vật liệu nhằm phục vụ điều tra chuyên sâu, và có thể cần thiết bị đặc biệt để tiếp cận và kiểm tra.

Thông thường, quy trình đánh giá cấp độ 1 sẽ dẫn đến một trong các khuyến nghị sau cho mỗi cống được đánh giá:

1. Tình trạng và hiệu suất có vẻ chấp nhận được, và không cần thêm hành động nào liên quan đến dự án đang thực hiện;
2. Cần bảo trì (ví dụ: làm sạch/thông cống) để khắc phục vấn đề hiệu suất hoặc hỗ trợ hoàn thành đánh giá cấp độ 1;
3. Cần sửa chữa hoặc thay thế một phần thân cống hoặc các bộ phận liên quan, với sự hỗ trợ của nhóm ra quyết định trong quy trình này; hoặc
4. Thực hiện đánh giá cấp độ 2 do các chỉ số được phát hiện trong đánh giá cấp độ 1.

Quy trình FLH cũng mô tả các thiết bị kiểm tra và an toàn được khuyến nghị, bao gồm hướng dẫn việc nhân viên vào trong cống theo các quy định của OSHA liên quan đến việc vào không gian hạn chế, như được quy định trong 29 CFR 1910.146. Các phương pháp đánh giá thay thế cho việc nhân viên trực tiếp vào cống cũng được mô tả, ví dụ như kiểm tra chỉ từ đầu cống, sử dụng que thăm dò, thợ lặn, hoặc thiết bị điều khiển từ xa (ROV). Lưu ý rằng mặc dù việc kiểm tra chỉ từ đầu cống được sử dụng rộng rãi, nhưng không phải lúc nào cũng có thể suy luận đáng tin cậy về điều kiện bên trong cống chỉ dựa vào điều kiện ở đầu ống.

Biểu mẫu đánh giá FLH (Hình 6.1) bao gồm các trường nhập dữ liệu cho thông tin dự án chung và đánh giá tổng thể cho cống, trong đó thường dựa vào mức đánh giá thấp nhất của các yếu tố riêng lẻ. Biểu mẫu này minh họa phạm vi các vấn đề có thể tồn tại. Một đánh giá toàn diện là cách duy nhất để xác định các hành động sửa chữa và cải tạo cần thiết.

6.1.2 Tình trạng kết cấu

Quy trình đánh giá cống của FLH bao gồm một Hướng dẫn Đánh giá Cống nhằm hỗ trợ việc gán mã xếp loại tình trạng phù hợp cho các loại vật liệu cống khác nhau, dựa trên mức độ hư hỏng kết cấu. Hướng dẫn này gồm mười một bảng, trong đó bảng đầu tiên mô tả năm mã xếp loại có thể có và ý nghĩa chung của chúng (Bảng 6.1). Các bảng còn lại mô tả từng loại vật liệu cống chính và các phụ kiện thường gặp, kèm theo các kiểu hư hỏng đặc trưng đối với từng loại vật liệu và mã xếp loại tương ứng. Ngoài ra, còn có các cân nhắc quan trọng và điều kiện đặc biệt có thể dẫn đến việc tiến hành khảo sát chuyên sâu cấp độ 2. Cuối cùng, một hướng dẫn bằng hình ảnh cũng được cung cấp để hỗ trợ việc xác định mã xếp loại.

Bảng 6.1. Đánh giá tình trạng cống theo Hướng dẫn của FLH

Mã xếp loại	Ý nghĩa của mã xếp loại
Tốt (Good)	Gần như mới, hư hỏng rất ít hoặc không có, còn đảm bảo kết cấu và chức năng.
Khá (Fair)	Có một số hư hỏng, nhưng vẫn đảm bảo kết cấu và chức năng.
Kém (Poor)	Hư hỏng đáng kể và/hoặc thiếu hụt chức năng, cần thực hiện sửa chữa nếu có thể nên tích hợp vào kế hoạch cải tạo đường sắp tới.
Nguy kịch (Critical)	Tình trạng rất kém, có thể sắp xảy ra sự cố nghiêm trọng đe dọa an toàn giao thông, cần sửa chữa khẩn cấp.
Không xác định (Unknown)	Toàn bộ hoặc một phần cống không thể tiếp cận để đánh giá hoặc không thể gán mã xếp loại.

Các kiểu hư hỏng phổ biến ở cống liên quan đến tình trạng kết cấu hoặc vật liệu/thể chất thường có liên kết với nhau và ảnh hưởng đến hiệu năng hoạt động của cống. Ví dụ, sự mài mòn và ăn mòn thường kết hợp để làm mòn phần đáy của cống kim loại (xem Mục 2.3.4). Việc mất dần tiết diện sẽ gây thủng đáy cống và làm mất lớp vật liệu lấp xung quanh, dẫn đến mất khả năng chịu lực, biến dạng kết cấu, và giảm năng lực dòng chảy. Ngược lại, một số hư hỏng bề ngoài đáng kể không nhất thiết sẽ dẫn đến sự cố về hiệu năng, nên có thể chưa cần sửa chữa ngay.

Điểm quan trọng nhất trong hệ thống xếp loại của quy trình đánh giá cống FLH là liên kết giữa tình trạng Kém (Poor) và các hành động sửa chữa cần thiết. Các chỉ báo quan trọng được tích hợp trong hướng dẫn nhằm xác định khi nào cần xếp loại Kém và khuyến nghị sửa chữa, tùy theo loại vật liệu cống và kiểu hư hỏng.

• Với cống bê tông hộp hoặc có vòm, các vết nứt rộng hơn ¼ inch (6 mm) kèm theo sự thẩm thấu hoặc rò rỉ đất/nước, hoặc bất kỳ vết nứt nào có diện tích bao phủ trên 50% bề mặt cống, sẽ bị xếp loại Kém.
• Ống bê tông cốt thép (RCP) bị xếp loại Kém nếu có vết nứt ngẫu nhiên rộng hơn 1/8 inch (3 mm), hoặc vết nứt ở bất kỳ vị trí nào (đỉnh, hông hoặc đáy) chiếm hơn 25% diện tích bề mặt ống. Các cống bê tông lộ cốt thép, các mối nối hở kèm theo hiện tượng thẩm thấu hoặc rò rỉ đất/nước và các khoảng rỗng dễ thấy, hoặc biến dạng tiết diện rõ rệt, cũng được xếp loại Kém và cần sửa chữa.

Các loại cống khác:

• Cống kim loại dạng sóng (CMP): Các kiểu hư hỏng chính là ăn mòn, mài mòn, biến dạng và dịch chuyển. Dấu hiệu chính để xếp loại Kém là hiện tượng thủng, khi các lỗ thủng nhìn thấy được hoặc gõ nhẹ bằng búa thử cũng lộ ra. Khi thủng xảy ra, nước sẽ rò rỉ ra ngoài, làm tăng tốc độ ăn mòn bên ngoài. CMP cũng bị xếp loại Kém nếu mối nối hoặc đường ghép bị hư, lệch, hoặc có rò rỉ và khoảng trống dễ thấy.
• Cống nhựa: Hư hỏng chính là mài mòn, biến dạng và dịch chuyển. Nếu đáy bị mài mòn mạnh, hoặc có vết nứt/tách dài hơn 6 inch (150 mm) ở thành ống, thì bị xếp loại Kém. Biến dạng tiết diện đáng kể cũng dẫn đến đánh giá Kém.
• Cống gỗ: Bị xếp loại Kém nếu có hư hỏng nặng ở đáy, lỗ thủng, mối nối hở, rò rỉ nước hoặc khoảng trống thấy được. Các lỗi như hỏng mối nối, cong vênh hoặc gãy thanh, hoặc nứt/gãy do mục hoặc côn trùng ăn cũng dẫn đến đánh giá Kém.
• Cống xây (masonry): Bị xếp loại Kém nếu có biến dạng tiết diện rõ ràng, hoặc vết nứt ở đỉnh, đáy hoặc vạch lò xo. Các lỗ thủng, vữa hoặc gạch bị mất/lệch, hoặc rò rỉ đất/nước và khoảng trống cũng là lý do để đánh giá Kém.

Các bộ phận phụ (appurtenances):

Việc đánh giá tình trạng của các bộ phận phụ cũng rất quan trọng. Ví dụ như:

• Một đầu ống loe bị nứt trên 50% diện tích bề mặt, hoặc bị nghiền nát/lệch khỏi thân ống, được đánh giá là Kém và cần sửa chữa.
• Tường đầu, tường cánh, tấm đáy có trên 50% bề mặt bị nứt, bong tróc, lộ cốt thép hoặc bị xói lở/làm trống phần nền cũng bị xếp loại Kém.
• Các biện pháp bảo vệ chống xói (như đá hộc) được xếp loại Kém nếu có hiện tượng dịch chuyển, xói lở hoặc hư hỏng đáng kể ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ cống.

6.1.3 Sự hỗ trợ của đất – Soil Support

Sự hỗ trợ của đất tốt là rất quan trọng đối với các loại cống mềm, và cuối cùng là đối với mặt đường phía trên cống. Soil supprot có thể bị suy giảm do xuất hiện các khoảng rỗng trong nền đắp, hoặc do lún nền, bởi các hiện tượng như rò rỉ (piping), xói mòn và xói lở. Những vấn đề này có thể bắt nguồn từ: vật liệu lấp kém chất lượng, đầm nén không đạt, không sử dụng tường chắn đầu (headwall) hoặc tường cắt (cutoff wall) trong các loại đất hạt rời, và thiết kế thoát nước mặt không đầy đủ. Việc bố trí nhiều barrel cống song song quá gần nhau khiến việc đầm nén giữa các barrel không hiệu quả cũng có thể gây ra vấn đề.

Với mọi loại cống, hướng dẫn đánh giá cống của FLH sẽ đưa ra xếp loại Kém (Poor) và đề xuất sửa chữa khi phát hiện có vấn đề về Soil supprot — thường là do thẩm thấu hoặc rò rỉ đất/nước qua các mối nối hở và/hoặc đáy cống bị hư hại. Mức Nguy kịch (Critical) được áp dụng cho các loại cống cần sửa chữa ngay lập tức vì ảnh hưởng đến an toàn giao thông công cộng, điển hình là do xuất hiện hố sụt và lún mặt đường có liên quan đến sự cố nền đắp bên dưới.

Các khoảng rỗng trong nền đắp bên dưới và xung quanh ống cống thường do thẩm thấu đất/nước qua các mối nối hở, hoặc do nền đắp bị lún sau khi xây dựng vì công tác chuẩn bị nền không đạt (đắp đất và đầm nén kém). Nước chảy tràn qua cống và mặt đường có thể gây ra hiện tượng rò rỉ và xói mòn nền đắp. Khi nước rò rỉ ra ngoài ống và thấm qua nền đắp, hiện tượng xói mòn tăng lên, đặc biệt nếu có mối nối hở.

Việc kiểm tra tình trạng mặt đường là một phần quan trọng của đánh giá cống, đặc biệt là đánh giá từ đầu ống, vì các vấn đề trong nền đắp thường thể hiện rõ qua sự lún và nứt vỡ mặt đường (xem Hình 6.2).

6.1.4 Hiệu năng của cống và kênh dẫn

Hiệu năng của cống và kênh liên quan cần được đánh giá trước khi thiết kế sửa chữa cống. Yếu tố đầu tiên cần xem xét là liệu các cấu trúc này có đáp ứng đủ yêu cầu thủy lực hay không. Nếu không, cần xem xét thay thế. Nếu đáp ứng đủ, các vấn đề thường gặp có thể bao gồm: tắc nghẽn do rác hoặc bùn đất, vấn đề nổi (nổi lên khỏi vị trí), lệch hướng dòng chảy, tràn nước và xói lở. Tùy theo mức độ nghiêm trọng của vấn đề, có thể cần thực hiện sửa chữa cấp độ 1 (Level 1), hoặc điều tra và sửa chữa sâu hơn cấp độ 2 (Level 2).

Cống sẽ không thể hoạt động đúng thiết kế nếu miệng cống bị chặn bởi hỗn hợp cây cỏ, rác thải, trầm tích và các loại rác khác (Hình 6.3).

Việc tích tụ trầm tích trong thân cống có thể là vấn đề liên quan đến chính cống hoặc điều kiện lưu vực (xem Mục 5.3.3). Sự tích tụ trầm tích, thường không chứa mảnh vụn thực vật, chỉ xảy ra tại đầu vào hoặc đầu ra và có chiều cao từ 1/3 đến dưới hoặc bằng 3/4 chiều cao lòng cống, có thể được xem là vấn đề bảo trì cấp độ 1. Sự tắc nghẽn cục bộ này không nên kéo dài quá vài feet vào trong thân cống từ đầu cống, vì điều đó có thể cho thấy hiện tượng bồi lắng lòng kênh nghiêm trọng hơn và cần thực hiện xử lý cấp độ 2 (Hình 6.4).

Trong hầu hết các trường hợp, việc tích tụ nhỏ là do trượt đất nền quanh ống hoặc tại đầu ống, hoặc do lắng đọng của vật liệu phù sa từ dòng chảy. Nếu lượng tắc nghẽn nhỏ hơn 1/3 chiều cao lòng cống, với độ dốc lòng cống đủ lớn và có dòng chảy cao định kỳ, cống có khả năng tự làm sạch. Nhưng nếu tắc nghẽn vượt quá 3/4 chiều cao lòng cống, cơ chế tự làm sạch có thể không xảy ra và khi đó cống nên được xem xét để thực hiện bảo trì nhằm loại bỏ trầm tích.

Các vấn đề về lực nổi thường xảy ra đối với cống kim loại dạng sóng, đặc biệt là những ống có đường kính lớn (trên 48 inch, tức 1200 mm) nhô ra khỏi nền đắp, nhưng cũng có thể xảy ra với các cống có đường kính nhỏ (Hình 6.5). Vấn đề này thường liên quan đến miệng vào nhô ra, hoạt động theo chế độ điều tiết ở miệng cống (xem Mục 5.5.2). Nếu lực nổi do không khí bị giữ lại bên trong lớn hơn trọng lượng bản thân của cống cộng với lớp đất lấp mỏng phía trên, và nếu khả năng chịu uốn của vật liệu ống không đủ, thì vật liệu sẽ bị nén tại đỉnh và miệng vào bị đẩy lên do lực nổi.

Biện pháp khắc phục phổ biến là cố định miệng vào bằng tường chắn đầu (headwall), móc neo mặt dốc, hoặc lắp đặt đoạn cuối đúng kỹ thuật. Lực nổi cũng có thể được giảm bằng cách vát mép miệng vào, giúp tăng lượng nước và giảm lượng không khí bên trong thân cống.

Việc lệch hướng dòng chảy được coi là nghiêm trọng nếu dòng chảy vào hoặc ra khỏi cống bị lệch nhiều so với trục thân cống (lệch hơn khoảng 45 độ), và xuất hiện hiện tượng xói lở tại bờ kênh phía ngoài, gây hư hại cho cống, tường chắn đầu, tường cánh hoặc nền đường. Hình 6.6 minh họa một ví dụ lý tưởng về sự lệch hướng dòng chảy.

Hư hại nền đường tại vị trí cống có thể xảy ra do nước tràn qua đường trong quá khứ, có thể là do khả năng dẫn nước của cống không đủ. Dấu hiệu cho thấy có hiện tượng tràn bao gồm — nhưng không giới hạn ở — rác mắc trên lan can phía trên cống và/hoặc xói lở nghiêm trọng ở mái dốc hạ lưu, thường đi kèm với mất một phần mặt đường ở mép hạ lưu (Hình 6.7). Vị trí tràn nước thường xảy ra tại điểm trũng nhất của mặt đường, có thể không trùng với vị trí cống băng đường. Những dấu hiệu tràn nước thường dẫn đến khuyến nghị bảo trì để sửa chữa các hư hại do xói lở, và có thể đề xuất bổ sung các biện pháp bảo vệ chống xói để ngăn chặn các sự cố tràn nước trong tương lai (xem Mục 5.4.5). Nếu tràn nước xảy ra thường xuyên tại vị trí cống và tình trạng được đánh giá là Kém hoặc Nguy kịch, cần xem xét thay thế bằng một cấu trúc có kích thước phù hợp hơn.

Xói lở tại cửa ra (xem Mục 5.3.2) là một vấn đề nghiêm trọng nếu xuất hiện hố xói lớn và rõ ràng, gây nguy hiểm cho chính cống (Hình 6.8). Bên cạnh việc sửa chữa các hư hỏng tại cống, những vấn đề này thường dẫn đến khuyến nghị lắp đặt hoặc sửa chữa các biện pháp bảo vệ cửa ra, ví dụ như lát đá hộc tại khu vực bị xói.

Xói lở tại cửa ra (xem Mục 5.3.2) là một mối quan ngại nếu xuất hiện hố xói lớn và dễ nhận thấy, có thể đe dọa đến sự an toàn của cống (Hình 6.8). Bên cạnh việc sửa chữa các hư hỏng của chính cống, những vấn đề như vậy thường dẫn đến khuyến nghị lắp đặt hoặc sửa chữa hệ thống bảo vệ cửa ra, ví dụ như lát đá hộc để gia cố khu vực hố xói hiện tại.

Cống đáy hở thường có móng nông, dễ bị suy yếu bởi hiện tượng xói lở (Hình 6.9). Nếu một cống đáy hở cần được cải tạo do bị xếp loại Kém hoặc Nguy kịch, cần đặc biệt chú ý đảm bảo rằng việc cải tạo không làm tăng nguy cơ gây sập móng.

6.2 Cải tạo cống so với thay mới

6.2.1 Quy trình ra quyết định của FLH về cống

Quy trình ra quyết định của FLH cung cấp hướng dẫn cho các hành động sau đánh giá đối với các cống đường hiện hữu. Các hành động sau đánh giá có thể bao gồm bảo trì, sửa chữa, thay thế, hoặc điều tra và/hoặc phân tích bổ sung. Thông tin được cung cấp nhằm hỗ trợ việc lựa chọn kỹ thuật sửa chữa hoặc thay thế phù hợp.

Một bộ gồm tám sơ đồ luồng được xây dựng nhằm trình bày quy trình ra quyết định hợp lý cho các loại cống và kịch bản khác nhau. Ngoài ra, còn có ma trận so sánh lựa chọn lớp lót sửa chữa, cung cấp thông tin sơ bộ về chi phí, khả năng ứng dụng và giới hạn của từng lựa chọn lớp lót phổ biến.

Quy trình cũng bao gồm các ma trận để xem xét và so sánh các kỹ thuật sửa chữa cống có thể tiếp cận từ bên trong và các kỹ thuật thay thế, cũng như các lựa chọn thi công liên quan đến cống dựa trên cơ sở dữ liệu giá thầu của FLH (Bảng 6.2). Quy trình này cũng có một hướng dẫn bằng hình ảnh minh họa một số kỹ thuật cải tạo cống phổ biến.

6.2.2 Yêu cầu đào đất

Độ sâu đào hoặc lớp phủ là yếu tố quan trọng trong việc quyết định phương án thiết kế phù hợp cho một cống bị hư hại. Nếu độ sâu lớp phủ bằng hoặc nhỏ hơn 4 ft (1200 mm), thì được xem là cống “nông”.

Bỏ qua các yếu tố khác như ảnh hưởng giao thông, nếu một cống nông là một ống “nhỏ” (chiều cao lòng ống nhỏ hơn 3 ft hay 900 mm), không có tường đầu, thì thường được xem là phương án hiệu quả nhất về chi phí để thay thế bằng phương pháp đào rãnh mở (open-trench).

Phương pháp đào rãnh mở vẫn là phương án thay thế khả thi đối với các cống có độ sâu đào lên đến 20 ft (6 m) đến đáy ống, nếu không có cống khác đang được thay thế cùng lúc hoặc không có cấu trúc hiện hữu phức tạp cản trở thi công.

Việc chống đỡ thành rãnh (shoring) thường là bắt buộc trong các hố đào sâu theo phương pháp rãnh mở (xem Hình 6.10).

Bảng 6.2. Ma trận lựa chọn phương án sửa chữa cống có người chui vào được (dựa trên quy trình ra quyết định của FLH):

Loại sửa chữa	Ước tính chi phí (theo dữ liệu đấu thầu của FLH)	Chi phí ước lượng từ các cơ quan khác	Giới hạn kích thước tối đa	Hạn chế khác
Ống lót sửa chữa có vữa hoặc ống lót nhiệt CIPP	Không có ước tính	Chi phí thấp; 2000 đến 5000 USD cho ống CIPP đường kính 18 inch	Đến 54 inch cho CIPP; đến 54 inch cho thép không gỉ; đến 108 inch cho PVC	Ron cơ khí hoạt động kém với CMP xoắn hoặc đường kính nhỏ; có thể hỏng nếu mối nối bị lệch hoặc rời; CIPP chỉ dài 36 inch mỗi đoạn; có thể dùng cho ống mềm bị biến dạng
Bơm vữa lấp khoảng rỗng	Chi phí trung bình: 330 USD/m³	Chi phí thấp; 10 USD/ft dài với khoảng rỗng nhỏ; 100–150 USD/m³ với khoảng rỗng lớn	Không áp dụng	Khó đánh giá độ hoàn chỉnh; độc hại khi có người chui vào
Bơm epoxy hoặc vữa trám nứt	Không có ước tính	Chi phí thấp	Không áp dụng	Độc hại khi có người vào; không khuyến nghị nếu vết nứt lớn hơn 0,1 inch
Trám nứt/bể bê tông và bọc cốt thép bằng epoxy	Chi phí cao; sửa chữa chung bê tông: 860 USD/yd² hoặc 2020 USD/m³; thép phủ epoxy: 1.30 USD/lb	Chi phí thấp	Không áp dụng	Độc hại nếu có người vào; thường thi công bằng tay trên cạn hoặc dưới nước; có thể chỉ là giải pháp tạm thời hoặc mang tính thẩm mỹ
Trám mối nối bằng vòng ron cao su giãn nở	Không có ước tính	Chi phí thấp	Đến đường kính 216 inch	Chỉ chịu được dịch chuyển tối đa 10%; phù hợp với RCP hơn là ống mềm
Lót đáy (invert lining)	Không có ước tính	Chi phí trung bình	Không áp dụng	Khó kết nối với ống cũ; xi măng có thể hỏng nếu nước chảy có tính axit; yêu cầu bê tông cường độ cao; nên dùng thép cho CMP và RCP
Trát lại cống xây (repoint masonry)	Chi phí thấp: 55 USD/ft²	Không có ước tính	Không áp dụng	Không áp dụng

6.2.3 Gián đoạn giao thông

Vấn đề gián đoạn giao thông sẽ đóng vai trò lớn trong việc lựa chọn phương án thiết kế cải tạo cho cống bị hư hỏng. Việc có cho phép đóng đường hoặc làn xe tạm thời hay không thường quyết định việc chọn thay thế bằng phương pháp đào rãnh mở hay không đào rãnh (trenchless). Nếu không được phép đóng đường, phương án thiết kế duy nhất còn lại thường là các kỹ thuật thay thế không đào rãnh. Nếu được phép đóng đường, nhưng không thể sửa chữa tại chỗ cống hiện có, hoặc các phương pháp không đào rãnh đã được sử dụng ở phần khác của dự án, thì phương án thiết kế tối ưu vẫn có thể là thay thế không đào rãnh để tiết kiệm chi phí.

Trong một số trường hợp khi nền đắp hoặc mặt đường đã bị hư hại nghiêm trọng, việc gián đoạn giao thông có thể đã xảy ra và việc sửa chữa chắc chắn sẽ gây ra đóng đường. Nếu việc sửa chữa cống đi kèm với đào đất và phục hồi nền/mặt đường, thì giả định hiệu quả chi phí nhất là thay thế cống bằng phương pháp đào rãnh mở. Đối với các hố đào “sâu” vượt quá 20 ft (6 m) tính đến đáy cống, thì phương án ít xâm lấn và hiệu quả chi phí nhất thường là thay thế không đào rãnh.

6.2.4 Tình trạng và tuổi thọ còn lại

Tình trạng cống và ước tính tuổi thọ còn lại ảnh hưởng đến quyết định liệu có nên cải tạo cấu trúc này không, cũng như lựa chọn phương án thiết kế tối ưu. Nếu xác định rằng cống trong tình trạng hiện tại sẽ không còn sử dụng được thêm 20 năm nữa cho đến khi có dự án đường mới, thì cần đưa ra quyết định phương pháp cải tạo nào sẽ giúp đạt được tuổi thọ kỳ vọng này. Các yếu tố như môi trường hóa học mạnh hoặc ăn mòn cũng cần được xem xét trong thiết kế sửa chữa/cải tạo để đảm bảo cống đạt được tuổi thọ mong muốn.

Các cống bê tông có biến dạng tiết diện nghiêm trọng hoặc vết nứt được đánh giá là Kém hoặc Nguy kịch thường được xem là đã mất phần lớn khả năng chịu lực, và được khuyến nghị thay thế. Các phương án sửa chữa cho mức độ hư hỏng này được cho là không đáp ứng đủ khả năng cần thiết cũng như kéo dài tuổi thọ sử dụng. Tương tự, nếu phần lớn chiều dài cống bị ảnh hưởng bởi tình trạng Kém hoặc Nguy kịch, giả định được đưa ra là ống chủ đạo đã gần hết tuổi thọ sử dụng và sửa chữa từng điểm tại hơn 50% chiều dài ống không phải là phương án hiệu quả chi phí so với việc thay thế.

6.2.5 Các vấn đề về thi công và lắp đặt

Nếu lớp đắp phủ sâu hơn 4 ft (1,2 m) và việc gián đoạn giao thông không được khuyến khích, thì sửa chữa bằng lớp lót bên trong thường được áp dụng cho các cống nhỏ, miễn là có đủ không gian tiếp cận. Việc tiếp cận để lắp lớp lót bao gồm hành lang kỹ thuật ven đường, phương thức ra/vào, và không gian làm việc cho thiết bị, máy móc và nhân công tại hai đầu cống (Hình 6.11). Nếu không thể tiếp cận để sửa chữa bằng lớp lót, thì đối với cống nhỏ có tình trạng Kém, phương án được khuyến nghị thường là thay thế hoàn toàn; tuy nhiên, cần xem xét đến tính khả thi và chi phí để tạo điều kiện tiếp cận tại hai đầu cống.

Hình 6.11. Ví dụ về lắp đặt lớp lót dạng cuộn xoắn trong điều kiện tiếp cận hạn chế tại đầu cống.

Việc sửa chữa mối nối bằng cách cho người chui vào là khả thi và được ưu tiên nếu ống đủ lớn và số lượng mối nối cần sửa chữa là hợp lý; tuy nhiên, nếu có quá nhiều mối nối cần xử lý, thì phương án lót ống hoặc thay thế có thể hiệu quả hơn về chi phí. Tương tự, giải pháp tiết kiệm nhất cho một phụ kiện bị hư trên cống khi thân ống được thay thế thường là thay luôn cả phụ kiện đó, trừ các vấn đề lịch sử liên quan.

Ngoài ra, có thể tồn tại các vấn đề liên quan đến giấy phép đặc biệt có thể ảnh hưởng đến quá trình thiết kế sửa chữa và cải tạo cống. Ví dụ, nếu có yêu cầu về dòng di chuyển sinh vật thủy sinh (AOP – xem Chương 4), thì các quy định về môi trường có thể giới hạn thời điểm trong năm được phép thi công, thời gian thi công, hoặc loại vật liệu được sử dụng (chẳng hạn vật liệu lớp lót có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước). Tương tự, các cống nằm trong khu vực có giá trị lịch sử hoặc được xếp hạng là di tích lịch sử có thể phải tuân thủ các yêu cầu đặc biệt về giấy phép văn hóa hoặc lịch sử.

6.3 Kỹ thuật cải tạo cống

6.3.1 Sửa chữa bằng lớp lót

Quy trình ra quyết định của FLH về cống bao gồm một bảng tổng hợp một trang có tên Ma trận lựa chọn lớp lót sửa chữa cống, tóm tắt các đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm của một số loại lớp lót thường được sử dụng cho các sửa chữa toàn chiều dài và toàn chu vi cống. Nhiều lựa chọn khác và các yếu tố cần cân nhắc khi chọn lớp lót cũng được trình bày trong Hướng dẫn lớp lót ống cống và Tiêu chuẩn kỹ thuật (FHWA 2005b), bao gồm các chi tiết kỹ thuật thi công, yêu cầu lắp đặt, nhà sản xuất và ước tính chi phí.

Lưu ý rằng không phải tất cả các loại lớp lót đều cung cấp khả năng sửa chữa kết cấu, và có thể không phù hợp để sử dụng nếu ống ban đầu đã bị suy yếu kết cấu nghiêm trọng. Các đoạn tiếp theo sẽ tóm tắt thông tin liên quan đến các loại lớp lót khác nhau.

a. Slip-Lining. Slip lining là việc lắp một ống có kích thước nhỏ hơn vào bên trong ống hiện hữu, với khoảng hở giữa hai ống thường được bơm vữa (Hình 6.12). Ống sử dụng cho phương pháp slip lining có thể là một đoạn liên tục hoặc chia đoạn. Slip lining phổ biến với ống tròn, nhưng cũng có thể áp dụng cho các dạng khác như hình cung. Cần lưu ý rằng các biến dạng hoặc gián đoạn trong ống hiện hữu có thể cản trở việc lắp đặt và giới hạn kích thước lớp lót.

Ống được cải tạo có khả năng chống mài mòn và ăn mòn tốt, với khả năng phục hồi kết cấu tùy thuộc vào loại lớp lót và thành phần khoảng hở. Yêu cầu không gian lắp đặt thay đổi tùy trường hợp, và đôi khi cần phải điều hướng dòng chảy. Mức độ an toàn đối với công nhân và môi trường trong quá trình lắp đặt là từ thấp đến trung bình, đặc biệt nếu sử dụng vật liệu mật độ thấp. Quá trình hàn nhiệt cho các lớp lót theo đoạn có thể tiêu tốn nhiều nhân lực.

b. Spiral Wound. Phương pháp spiral wound sử dụng các dải nhựa có gờ khóa liên kết, thường làm bằng PVC, để lót bên trong cống bị hư hỏng. Các dải này được cấp vào một máy cuốn, nơi chúng được cuộn và ép chặt cơ học để liên kết tạo thành một lớp lót dạng xoắn ốc liên tục và mịn (Hình 6.11). Khi sử dụng loại dải có thể giãn nở, lớp lót sẽ được ép sát vào thành ống hiện hữu, tạo lớp lót khít mà không cần bơm vữa (Hình 6.13).

Spiral wound thường được dùng cho ống tròn, vì khả năng chịu biến dạng và phồng thấp hơn các phương pháp khác. Lớp lót có khả năng chống mài mòn và ăn mòn rất tốt, và cũng có thể phục hồi kết cấu tùy thuộc vào vật liệu và thành phần khoảng hở. Yêu cầu không gian lắp đặt nhỏ, và đôi khi cần điều hướng dòng chảy.

Mức độ an toàn với công nhân và môi trường khi lắp đặt ở mức từ thấp đến trung bình. Thiết bị chuyên dụng và nhân công được đào tạo là cần thiết, đặc biệt với hệ thống thủ công yêu cầu người trực tiếp tham gia bên trong. Lớp lót spiral wound có thể trở nên giòn khi nhiệt độ giảm sâu.

c. Cured-in-Place (CIPP). Lắp đặt lớp lót CIPP liên quan đến việc đưa một ống mềm được phủ nhựa nhiệt rắn vào bên trong cống hiện hữu. Sau khi được lắp đặt, nhựa sẽ được làm cứng lại dưới điều kiện môi trường xung quanh hoặc bằng nhiệt áp dụng từ hơi nước hoặc nước nóng tuần hoàn. Lớp lót thu được sẽ khít với thành ống và chỉ làm giảm đường kính rất ít.

Phương pháp này không giới hạn cho ống tròn và có khả năng chịu phồng, biến dạng và gián đoạn cao hơn các phương pháp khác. Khả năng chống mài mòn và ăn mòn rất tốt, và có thể phục hồi kết cấu tùy thuộc vào độ dày thành lớp lót. Yêu cầu không gian lắp đặt từ thấp đến trung bình, nhưng gần như luôn cần dẫn dòng tạm.

Do sử dụng nhựa và nhiệt (hơi nước hoặc nước nóng), quá trình lắp đặt có thể gây lo ngại về an toàn môi trường và cho công nhân. Phương pháp này đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và nhân lực được đào tạo. Hình 6.14 minh họa một ví dụ về quá trình lắp đặt lớp lót CIPP.

d. Phương pháp lót khít sát (Close-fit Lining Methods).

Còn được gọi là lót trượt cải tiến, phương pháp lót khít sát bao gồm việc chèn một ống nhựa nhiệt dẻo có đường kính ngoài bằng hoặc hơi lớn hơn đường kính trong của cống hiện hữu. Do đó, lớp lót phải được biến đổi tiết diện trước khi lắp đặt. Sau khi đưa vào vị trí, lớp lót được định hình lại hoặc làm tròn lại để khít với cống hiện hữu, không cần bơm vữa.

Có hai loại chính trong phương pháp này: hệ thống giảm đối xứng và hệ thống gấp nếp. Hệ thống giảm đối xứng sử dụng khuôn tĩnh hoặc con lăn ép để tạm thời làm nhỏ đường kính lớp lót trong quá trình đưa vào. Các lớp lót dùng trong hệ thống gấp nếp thường được gập thành hình “C”, “U” hoặc “H” trong quá trình sản xuất hoặc tại công trường trước khi lắp đặt, sau đó được đưa vào trong ống và bung ra (Hình 6.15). Các loại lớp lót gấp nếp này bao gồm ống PVC gấp định hình và ống HDPE biến dạng-khôi phục.

Đối với bất kỳ phương pháp close-fit nào, cống hiện hữu phải là ống tròn hoặc bán tròn và không có biến dạng hoặc gián đoạn lớn — những thứ có thể cản trở quá trình đưa vào và giới hạn đường kính lớp lót.

Lớp lót có khả năng chống mài mòn và ăn mòn rất tốt, tuy nhiên không có khả năng phục hồi kết cấu. Yêu cầu không gian lắp đặt thấp, và gần như luôn cần dẫn dòng tạm. Mức độ an toàn đối với công nhân và môi trường là trung bình trong quá trình thi công. Phương pháp này đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và nhân lực được đào tạo.

e. Phun lớp lót (Spray-On).
Lớp lót dạng phun thường là vữa xi măng hoặc epoxy, và có thể được thi công bằng máy móc hoặc cho người chui vào bên trong cống để thực hiện (Hình 6.16). Các vấn đề về an toàn môi trường và người lao động có thể là mối lo ngại, đặc biệt trong các giai đoạn thi công và chuẩn bị. Việc dẫn dòng tạm thường là cần thiết.

Lớp lót dạng phun thường được sử dụng cho các ống có đường kính từ 12 đến 24 inch (300 đến 600 mm), nhưng cũng có thể áp dụng cho các kích thước lớn hơn. Việc giảm đường kính bên trong là rất nhỏ đối với lớp lót không có chức năng kết cấu, và ở mức trung bình với lớp lót có chức năng kết cấu.

Các biến dạng, gián đoạn hoặc độ cong nhỏ trong cống hiện hữu có thể chấp nhận được, và yêu cầu không gian lắp đặt là nhỏ. Khả năng chống mài mòn và ăn mòn kém đối với lớp lót vữa, và tốt hơn một chút đối với lớp epoxy.

Hình 6.16. Thi công lớp lót vữa bằng phương pháp phun có người chui vào (nguồn: CALTRANS).

f. Phương pháp khác (Other Methods).
Các phương pháp được mô tả ở trên đã được sử dụng đủ lâu trong ngành để hiểu rõ điểm mạnh và điểm yếu của chúng. Tuy nhiên, các sản phẩm lớp lót và phương pháp lắp đặt mới vẫn liên tục được phát triển và giới thiệu định kỳ.

Ví dụ, một sản phẩm mới là hệ thống tấm ghép, bao gồm một loạt các tấm PVC bán trong suốt được đúc sẵn và lắp ráp bên trong thân ống. Tương tự như hầu hết các phương pháp cải tạo cống cứng, vữa kết cấu được sử dụng để lấp đầy khoảng hở giữa các tấm và ống hiện hữu, tạo thành ống mới.

Điểm đặc biệt của hệ thống này là sử dụng các tấm nhỏ đại diện cho một phần chu vi ống để “xây dựng” một ống mới bên trong ống cũ bằng quy trình thi công có người chui vào. Các sản phẩm và kỹ thuật lắp đặt mới như thế này sẽ tiếp tục được phát triển, giúp cho kỹ sư thiết kế có nhiều lựa chọn hơn trong việc cải tạo cống bằng lớp lót.

6.3.2 Sửa chữa có người chui vào (Person-Entry Repairs)

Nhiều thiết kế cải tạo cho các cống lớn nhất là hiệu quả khi cho công nhân chui vào bên trong kết cấu, đặc biệt là để sửa chữa các mối nối, đáy cống và các khu vực cục bộ khác. Việc sửa chữa có người chui vào đã được thực hiện ở các ống nhỏ tới 3 ft (900 mm), kể cả trong điều kiện ngập nước, với sự hỗ trợ của kỹ thuật viên làm việc trong không gian hạn chế và thợ lặn.

Trong quy trình ra quyết định của FLH, có một bảng tổng hợp một trang về ma trận lựa chọn sửa chữa cục bộ có người chui vào, tóm tắt các đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm của một số kỹ thuật sửa chữa cục bộ thường dùng đòi hỏi người chui vào.

a. Sửa chữa mối nối (Joint Repairs).
Các mối nối bị hư hỏng và/hoặc tách rời, mở rộng trong các cống có chiều cao từ 2.5 ft (750 mm) trở lên thường có thể được sửa bằng phương pháp chui vào, chẳng hạn như trám mối nối bằng vòng ron cao su giãn nở hoặc vữa epoxy bôi tay.

Các khoảng rỗng trong nền đắp phát triển do hư hại mối nối cũng có thể được xử lý bằng cách bơm vữa từ bên trong cống qua phương pháp chui vào. Theo dữ liệu từ nhiều cơ quan trên toàn quốc, kỹ thuật trám ron bằng vòng cao su giãn nở là một lựa chọn sửa chữa chi phí thấp, có thể áp dụng cho các ống đường kính từ 15 đến 216 inch (375 đến 5400 mm). Kỹ thuật này phù hợp với cống bê tông cốt thép (RCP) hơn là ống mềm, và có thể chịu được độ dịch chuyển tại mối nối lên đến khoảng 10%.

Đối với các cống không tròn, một lựa chọn chi phí thấp khác là sử dụng ống sửa chữa có vữa hoặc tay áo CIPP ngắn, có sẵn ở nhiều hình dạng khác nhau. Hình 6.17 minh họa hai phương pháp sửa chữa mối nối phổ biến, bao gồm hệ thống ron cao su và hợp chất trám mối nối.

b. Lót đáy (Invert Lining).
Hư hỏng vật liệu ở cống thường xảy ra tại phần đáy, đặc biệt là với cống CMP và cống bê tông. Với các cống lớn mà hư hỏng chủ yếu tập trung ở đáy, việc lót lại phần đáy bằng tấm thép, bê tông và/hoặc vữa có thể là một giải pháp hiệu quả về chi phí (Hình 6.18).

Theo đánh giá từ nhiều cơ quan trên toàn quốc, kỹ thuật lót đáy là một phương án sửa chữa có chi phí trung bình, có thể áp dụng cho ống có đường kính từ 3 ft (900 mm) trở lên. Việc nối lớp lót với ống hiện hữu thường gặp khó khăn và cần được xử lý tốt trong thiết kế. Xi măng được sử dụng trong phương pháp này có thể bị suy yếu nếu nước chảy có tính axit, vì vậy cần sử dụng loại bê tông cường độ cao đã được cải tiến, đồng thời tăng khả năng chống mài mòn. Tấm thép thường được các cơ quan chọn dùng cho cống CMP và RCP, tuy nhiên vấn đề ăn mòn có thể xảy ra tại các vị trí tấm và phụ kiện neo.

c. Sửa chữa điểm (Spot Repairs).
Việc sửa chữa cục bộ và giới hạn ở các cống lớn – như bơm vữa vào các khoảng rỗng hoặc vá các điểm hư hỏng – thường hiệu quả hơn nếu thực hiện bằng cách cho người chui vào thay vì lắp lớp lót toàn chu vi. Theo đánh giá từ các cơ quan trên toàn quốc, bơm vữa vào khoảng rỗng là một phương pháp sửa chữa chi phí trung bình, tuy nhiên có độc hại đối với công nhân và khó đánh giá được mức độ hoàn chỉnh của sửa chữa.

Ngoài các phương pháp sửa mối nối, sửa chữa cục bộ tại thân cống còn bao gồm bơm epoxy hoặc vữa vào các vết nứt, vá vết nứt hoặc vết bong tróc, và phủ epoxy lên thép lộ thiên. Việc sửa chữa bằng epoxy hoặc vữa không được khuyến nghị cho các vết nứt lớn hơn 0.1 inch (30 mm), vì các vết nứt như vậy nên được xử lý bằng các kỹ thuật bôi tay khác, trên cả cạn lẫn dưới nước. Độc hại của vật liệu sửa chữa là một vấn đề đáng lo ngại đối với các kỹ thuật có người chui vào. Các phương pháp bơm epoxy, vá nứt và phủ thép thường chỉ làm chậm quá trình hư hỏng.

d. Sửa chữa phụ kiện (Appurtenance Repairs).
Nhiều loại sửa chữa không liên quan đến thân cống hay lớp lót và không cần người chui vào. Các sửa chữa này thường tập trung vào các phụ kiện như tường chắn đầu (headwalls), tường chắn bên (wing walls), mặt đỡ dòng (aprons), lớp bảo vệ đá hộc (riprap), và thiết bị kiểm soát rác.

Thay mới hoặc cải tạo các tường chắn và tường xây là các phương án thiết kế chi phí thấp phổ biến cho nhiều loại cống. Các bộ phận phân tán năng lượng cũng có thể được lắp đặt trong thiết kế sửa chữa, cũng như các điều chỉnh để cải thiện khả năng cho sinh vật thủy sinh đi qua (AOP). Hình 6.19 minh họa việc lắp đặt tường chắn bê tông và tường cánh cho một cống ống.

6.4 Phân tích thủy lực cho các hành động sửa chữa và cải tạo

Kích thước và khả năng thoát nước của cống đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phương án thiết kế cải tạo cho cống bị hư hỏng, cũng như trong việc đánh giá các thay đổi về hiệu suất hoạt động thủy lực của cống sau khi sửa chữa. Hiểu rõ lý thuyết thủy lực của cống như mô tả trong tài liệu này — đặc biệt là các khái niệm về inlet control và outlet control — sẽ giúp kỹ sư phân tích đúng tác động hoặc thay đổi về mực nước đầu vào (headwater) và/hoặc vận tốc tại miệng ra có thể xảy ra với bất kỳ loại sửa chữa hay cải tạo nào.

Ví dụ, nếu thay thế toàn bộ cống bằng một loại khác có kích thước, hình dạng hoặc kiểu khác so với ban đầu, thì có thể phân tích theo các bước tiêu chuẩn như đối với cống mới, như đã trình bày trong Chương 3. Một yếu tố quan trọng trong phân tích này là xác minh rằng lưu lượng thiết kế không thay đổi, đặc biệt trong khu vực đang đô thị hóa.

Việc nước thường xuyên tràn qua đường thường cho thấy rằng cống hiện tại quá nhỏ và không đủ khả năng thoát nước, khi đó sẽ cần đề xuất thay cống hoặc lắp thêm đường ống. Tuy nhiên, nếu cống bị inlet control, thì cải tạo duy nhất cần thiết có thể chỉ là bổ sung cửa vào dạng vát hoặc dạng thuôn cho thân cống hiện có. Phân tích thủy lực của mọi phương án sửa chữa/cải tạo được đề xuất, dù là thêm đường ống hay thay cửa vào, đều cần dựa trên quy trình trong Chương 3.

Việc sử dụng lớp lót có thể cải thiện hoặc làm giảm hiệu suất thủy lực. Trong trường hợp outlet control, lớp lót thường sẽ giảm lưu lượng dòng chảy do tiết diện bị thu hẹp, nhưng ảnh hưởng này có thể được bù lại nhờ giảm độ nhám thành ống. Ngược lại, nếu cống ở trạng thái inlet control, thì hiệu suất thủy lực có thể tốt hơn nếu tạo được cửa vào loe giữa ống cũ và lớp lót có đường kính nhỏ hơn.

Dù trong trường hợp nào, ảnh hưởng của việc giảm tiết diện do lót ống rõ rệt hơn với các cống nhỏ. Ví dụ, giảm tiết diện dòng chảy khi lót cống 24 inch (600 mm) bằng ống 18 inch (450 mm) là 44%, trong khi lót cống 60 inch (1500 mm) bằng ống 54 inch (1350 mm) chỉ giảm 19%. Dù sao đi nữa, phân tích thủy lực theo Chương 3 sẽ cho phép kỹ sư đánh giá chính xác hệ quả của việc lắp bất kỳ loại lớp lót nào.

Việc sửa mối nối hoặc lót đáy thường không ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực trong các cống chịu inlet control, vì điều kiện dòng chảy bị chi phối bởi miệng vào chứ không phải thân ống. Ngoại lệ chỉ xảy ra nếu việc sửa chữa làm tăng tổn thất ma sát hoặc giảm tiết diện dòng chảy đến mức gây ra outlet control. Tuy nhiên, sửa mối nối thường giảm ma sát nhờ loại bỏ khe hở, còn lót đáy thường làm giảm hệ số nhám Manning’s n nhờ vật liệu trơn hơn, với ảnh hưởng nhỏ đến diện tích dòng chảy.

Tóm lại, nếu cống bị outlet control, thì tác động của các sửa chữa này nên được đánh giá bằng cách xác định hệ số Manning’s n mới và/hoặc diện tích dòng chảy của trạng thái đã cải tạo, rồi áp dụng phương trình năng lượng như mô tả trong Chương 3.