Chuyên gia "hiến kế" làm cao tốc bằng cầu cạn

Ngày 8/6, Tạp chí Xây dựng phối hợp với Hội Bê tông Việt Nam (VCA) và các đơn vị thành viên của VCA tổ chức Hội thảo trực tuyến với chủ đề: "Các giải pháp kết cấu bê tông cho đường cao tốc trên cao".

Thông tin được đưa ra tại hội thảo, hiện nay, việc thiếu hụt vật liệu làm nền đường khiến cho phương án làm đường trên đất đắp, tuy được cho là ít chi phí đầu tư ban đầu hơn nhưng triển khai thực tiễn tại nhiều dự án đang gặp nhiều trở ngại, khó khăn, khó đảm bảo tính khả thi… Bên cạnh đó, trong nhiều tình huống, việc đầu tư xây dựng đường ô tô, đường cao tốc, sử dụng giải pháp cầu cạn hầu như là phương án duy nhất để bảo đảm phát triển bền vững và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Có thể kể đến một số trường hợp điển hình đã và đang được triển khai đầu tư xây dựng cầu cạn, như: Cầu đi qua đô thị có nhiều điểm giao cắt (cầu cạn Vành đai 2, Vành đai 3 TP. Hà Nội); cầu đi qua khu bảo tồn thiên nhiên để không chia cắt môi trường sống của động vật hoang dã (đường Hồ Chí Minh đi qua Vườn quốc gia Cúc Phương, qua Rừng Sác tại huyện Cần Giờ - TP. Hồ Chí Minh); cầu đi qua rừng ngập mặn của cao tốc Vân Đồn - Móng Cái tỉnh Quảng Ninh…); cầu đi qua khu vực nền đường đắp trên đất yếu để đảm bảo ổn định nền đường, giảm phụ thuộc vào vật liệu đắp nền (các tuyến đường trong khu vực Đồng bằng sông Cửu Long)…

Đáng chú ý, trong hầu hết các trường hợp, phương án thiết kế cầu cạn thông thường là sử dụng nhịp giản đơn với các dầm cầu được đúc sẵn, có tên rất phổ biến là dầm Super-T.

Tuy nhiên, phương án truyền thống này cũng bộc lộ một số hạn chế như: Chiều dài nhịp ngắn, dầm kích thước lớn và không bảo đảm tính thẩm mỹ, đặc biệt là trong khu vực đô thị; với kích thước kết cấu nhịp không được tối ưu dẫn đến chi phí xây dựng cao...

Từ đó, hội thảo đã tập trung làm rõ các nội dung liên quan đến giải pháp thiết kế cầu cạn thích ứng, phù hợp với đặc thù địa hình nhiều khu vực.

Làm cầu cạn nhịp lớn bằng bê tông siêu tính năng

Đáng chú ý trong các giải pháp được nêu tại hội thảo, TS. Trần Bá Việt, thành viên Viện Bê tông Hoa Kỳ, Phó Chủ tịch Hội Bê tông Việt Nam, Trưởng ban TCVN/ISO 71 Bê tông và Bê tông cốt thép chia sẻ một giải pháp làm cầu cạn nhịp lớn bằng dầm bằng bê tông siêu tính năng (UHPC).

Theo TS. Trần Bá Việt, cầu cạn UHPC đã được làm tại nhiều quốc gia ở Liên minh châu Âu (EU), Bắc Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Malaysia, Myanmar. Trong đó, Malaysia đã xây dựng trên 200 cầu UHPC lớn với nhịp từ 30 m đến 105 m, Trung Quốc đã làm cầu cạn cao tốc nhịp trên 30 m; Ấn Độ làm cầu nhịp 55 và 70 m. Bên cạnh đó, các quốc gia tại Bắc Mỹ, EU và đặc biệt Trung Quốc đã làm 200 bản mặt cầu liên hợp UHPC. Ngoài ra, UHPC còn ứng dụng cho sủa chữa mặt cầu, trụ cầu cho hiệu quả cao.

Nói sâu hơn về UHPC, TS. Trần Bá Việt nêu ưu điểm của giải pháp này là thi công nhanh, không phụ thuộc thời tiết, không dùng cát đắp, chất lượng cao, tuổi thọ cao, bảo trì thấp, giảm đáng kể GPMB và có độ tin cậy cao trong quá trình sử dụng.

"Nếu dùng cho vùng đất yếu có chiều dày đất yếu sâu, yêu cầu đất đắp cao để vượt lũ và hầm chui dân sinh thì rất hiệu quả vì giải quyết tốt vấn đề nguồn cát san nền đang khan hiếm, đảm bảo tiến độ theo yêu cầu của Chính phủ, giảm vốn vay tài chính", TS. Trần Bá Việt nêu.

Về công nghệ đã làm chủ trong thiết kế, chế tạo dầm. Đã có đơn vị đủ điều kiện chế tạo dầm và đã nhận chuyển giao công nghệ và patents. Đơn vị kiểm định đã có, đáp ứng thử tải dầm và thử tải cầu UHPC. Dầm cầu UHPC còn cho phép giảm phát thải CO2 khoảng 22%, tính cho 1m2 mặt cầu so với cầu dầm bê tông cốt thép (BTCT) thông thường.

UHPC có điểm khác so với các giải pháp khác là có thể áp dụng đối với nhịp lớn từ 50 m đến 100 m, tĩnh tải giảm nên chi phí cọc khoan nhồi, mố trụ, xà mũ, gối cầu, khe co giãn giảm, thời gian thi công hạ bộ giảm, cẩu lắp nhanh hơn, chi phí cẩu lắp giảm. Chiều cao dầm giảm 30% nên chiều cao mố trụ giảm, chiều cao đất đắp giảm. Độ tin cậy của tuyến cao tốc cao, bảo trì thấp, tuổi thọ dầm UHPC là 150 năm trở lên; chống ăn mòn biển và ăn mòn chua phèn tốt.

Về hiệu quả đối với môi trường và xã hội là không sử dụng cát san lấp, không ảnh hưởng tiêu thoát lũ, không phải làm đường gom dân sinh và hầm chui dân sinh, tiết kiệm tài nguyên không tái tạo là đất và đất nông nghiệp. Cùng với đó, vẫn có thể canh tác dưới hầm chui, không phải làm hệ thống rào lưới an toàn dọc hai bên tuyến cao tốc; không ngăn cách môi trường xã hội của làm xóm đô thị; kết nối cầu vượt sông hiệu quả hơn thay vì cát đắp hay dầm nhịp ngắn, cảnh quan đẹp hơn (vì chiều cao dầm giảm 30%) và nhịp dài gấp rưỡi đến gấp đôi so với dầm Super T.

Đặc biệt, về chi phí, các phân tích so sánh cho thấy, tổng mức đầu tư của cầu cạn UHPC nhịp lớn với vùng đất yếu sâu, chiều cao cát đắp khoảng 4 m tương đương tổng mức đầu tư phương án cát đắp và rẻ hơn phương án cầu cạn dầm Super T, chi phí bảo trì thấp, tuổi thọ cao, độ tin cậy trong khai thác cao.

Ứng dụng công nghệ khoan hạ cọc bê tông ly tâm

Tại hội thảo, ThS. Lữ Triều Dương, Giám đốc kỹ thuật Công ty CP Đầu tư Phan Vũ cho biết, trước nhu cầu phát triển của hệ thống đường giao thông, bao gồm đường cao tốc, quốc lộ tại các địa phương thiếu hụt đất đắp nền đường hay các tuyến đường xuyên qua các khu vực bán ngập, ngập lũ theo mùa phải đảm bảo tiêu thoát nước nhanh hoặc qua các khu rừng nguyên sinh cần đàm bào tránh cách ly môi trường sống của các động vật hoang dã, thì việc lựa chọn giải pháp đường trên cao là tối ưu nhất.

Vấn đề cấp bách cần giải quyết là phải có các giải pháp linh hoạt, tin cậy, khả thi, với chi phí cạnh tranh hơn so với các phương án cầu cạn truyển thống, cũng như phải gây ít ảnh hưởng đến môi trường.

Giải pháp cầu cạn sử dụng cọc bê tông ly tâm chi phí thấp kết hợp với tấm sàn BTCT tiền chế nhịp nhỏ là phương án phù hợp để giải quyết các mục tiêu trên. Nếu sử dụng phương pháp khoan hạ sẽ giúp việc thi công cọc bê tông đúc sẵn tại các khu vực có điều kiện địa chất, địa tầng phức tạp như có hang Karst, có tầng cát, sỏi sạn dày trở nên khả thi.

Bên cạnh đó, do ưu điểm của cọc khoan hạ, có sử dụng linh hoạt các loại cọc có khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn như cọc PRC, SC từ đó giúp cọc bê tông ly tâm được áp dụng rộng rãi hơn cho công trình giao thông, đặc biệt là cầu cạn.

Theo ThS.Lữ Triều Dương, với sự kết hợp của mạng lưới các nhà máy cọc bê tông ly tâm rộng khắp các tỉnh thành hiện nay và sự đơn giản và thuận tiện trong việc tổ chức sản xuất tấm sàn đặc tiền chế nhip nhỏ ở địa phương, giải pháp cầu cạn sử dụng tấm sàn BTCT đúc sẵn khẩu độ nhỏ trên nền cọc bê tông ly tâm đường kính trung bình sẽ là giải pháp có nhiều ưu thế về chi phí, tiến độ và tính khả thi khi thi công trong các điều kiện mặt bằng, đia chất, địa hình khác nhau.

Do sử dụng tối đa cấu kiện đúc sẵn, việc kiểm soát chất lượng cũng như giảm thiểu tác động đến môi trường của giải pháp là vượt trội hơn so với các giải pháp cầu cạn khác.

Ứng dụng bê tông HPC

Theo ThS. Nguyễn Trọng Nghĩa, Giám đốc Công ty CP Tư vấn Synectics, dầm U bê tông cường độ cao (HPC) đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, bảo đảm đủ độ tin cậy về kiểm chứng chất lượng qua các dự án trong thực tế, có thể triển khai áp dụng cho các công trình cầu đường bộ trên cả nước.

HPC ở Việt Nam hiện nay được coi là vật liệu mới nhưng trên thế giới, HPC đã được phát triển trên 70 năm, bắt đầu ở Mỹ.

Bên cạnh các ưu điểm nổi bật về khả năng vượt nhịp, tính kinh tế, kỹ thuật, sau hơn 15 năm ứng dụng tại Việt Nam, dầm Super-T đã bộc lộ một số nhược điểm như: Nứt dầm tại vị trí nách dầm, vị trí cắt khấc đầu dầm, các vết nứt này hiện nay vẫn chưa có giải pháp thiết kế triệt để.

Do đó, việc áp dụng dầm Super-T cho các dự án vùng xâm thực là khó đảm bảo yêu cầu tuổi thọ thiết kế. Với chiều dày sườn dầm mỏng chỉ 0,1 m, bề rộng đáy dầm chỉ 0,7 m dẫn đến khả năng chịu lực của dầm bị hạn chế, khoảng cách giữa các dầm chỉ khoảng 2,2 - 2,4 m sẽ cần số lượng dầm trên mặt cắt ngang cầu nhiều tăng tĩnh tải, tăng chi phí và thời gian thi công kết cấu nhịp và kết cấu móng, mố, trụ cầu. Việc nghiên cứu áp dụng bê tông HPC khắc phục các nhược điểm, đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật hơn so với dầm Super-T là rất cần thiết và cấp bách.

ThS. Nguyễn Trọng Nghĩa cho biết, phương án cao tốc đi trên cao giải quyết cùng lúc các thách thức địa hình thấp, nền đất yếu, thiếu cát xây dựng, ngập vì sụt lún, ngập vì nước biển dâng, không cản trở thoát lũ, ít ảnh hưởng cảnh quan sinh thái, bảo đảm sinh kế cho người dân, đáp ứng các yêu cầu về đánh giá tác động môi trường, không phải bù lún trong suốt vòng đời khai thác công trình…

ThS. Nguyễn Trọng Nghĩa đưa ra kiến nghị sử dụng dầm U cường độ cao C70. Dầm U được thiết kế bảo đảm an toàn, có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vượt trội so với dầm Super T, không phải đầu tư thiết bị thi công mới, chỉ sử dụng thiết bị cẩu lắp dầm Super T. Nhiều công trình đã được áp dụng giải pháp này từ năm 2016 đến nay đều bảo đảm độ tin cậy cao để ứng dụng rộng rãi.

"1 km cầu cạn đường cao tốc sử dụng dầm U giảm 35 - 40% số lượng dầm so với dầm Super T. Thời gian thi công, lao lắp rút ngắn 35 - 40% thời gian. Tổng chi phí xây dựng cho 1 km cầu cạn đường cao tốc với mặt cắt ngang 4 làn xe (17,5 m) dự kiến là 350 - 420 tỷ đồng/km; với mặt cắt ngang hoàn chỉnh (24,25 m) dự kiến là 485 - 580 tỷ đồng/km", ThS. Nguyễn Trọng Nghĩa cho biết.

Ngoài ra, ThS. Nguyễn Trọng Nghĩa cũng kiến nghị sử dụng dầm T ngược bê tông cường độ cao. Giải pháp này đã được ứng dụng tại Việt Nam từ năm 2009, bảo đảm an toàn và độ tin cậy cao, chi phí xây dựng thấp, hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cạnh tranh so với các giải pháp kết cầu khác cùng chiều dài.

Dầm T ngược bê tông cường độ cao có chiều cao kiến trúc thấp, trọng lượng dầm nhẹ nên dễ cẩu lắp và thi công nhanh, thích hợp cho các vị trí xây dựng cầu khó khăn về địa hình cho các thiết bị cẩu lắp lớn đặc biệt là áp dụng cho các công trình cầu vượt thay thế hầm chui dân sinh trên mạng lưới cao tốc.

"Kết quả ứng dụng dầm T ngược từ năm 2009 đến nay cho thấy chi phí xây dựng trước thuế của cầu dầm T ngược chỉ khoảng 6 - 8 triệu đồng/m2 kết cấu nhịp, 14,5 -18,5 triệu đồng/m2 cầu, hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, đảm bảo đủ độ tin cậy về kiểm chứng chất lượng qua các dự án", ThS. Nguyễn Trọng Nghĩa nêu.