Khả năng ứng dụng cầu thép trong XD HTGT ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long

TS. Đặng Đăng Tùng Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Nguyễn Danh Thắng TS. Nguyễn Cảnh Tuấn

Tóm tắt:Thép là loại vật liệu với nhiều ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông. Thép cung cấp nhiều lợi thế trong việc xây dựng cầu bởi những tính năng ưu việt như cường độ cao, thời gian thi công nhanh, tính linh động cao, dễ duy tu bảo dưỡng, có thể tái sử dụng và tuổi thọ dài. Tại Việt Nam, việc sử dụng cầu thép trong xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông còn hạn chế. Bài báo phân tích thực trạng và nhu cầu sử dụng cầu thép trong phát triển hạ tầng giao thông ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), trên cơ sở đó đề xuất hướng ứng dụng cầu thép trong tương lai ở khu vực này.

Từ khóa: Phát triển hạ tầng giao thông, tái sử dụng, cầu thép.

Abstract: Steel is a construction material with many advantages are widely used in construction of transport infrastructures. Steel offers many advantages to the bridge builder, not only from the material itself, but also from its broad architectural possibilities. The following are some of the advantages that steel can offer high quality material, speed of construction, versatility, modification and repair, recycling, durability, aesthetics. In Vietnam, the use of steel for the construction and development of transport infrastructure is limited. This paper analyzes the situation and demand for steel in the development of transport infrastructures in the Mekong Delta area. A proposal of applicability of steel bridge in this area also presented.

Keywords: Transport infrastructures, re - use, steel bridge.

1. Tổng quan về cầu thép và tình hình sử dụng cầu thép ở Việt Nam

Thép là loại vật liệu hoàn chỉnh được sử dụng rất rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông. Tại Việt Nam, việc sử dụng cầu thép trong xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông còn hạn chế. Trong khi đó, nhu cầu cải tạo, nâng cấp và xây mới các công trình cầu là rất nhiều. Bên cạnh đó, nguồn cung trong nước hiện nay đã trở nên dồi dào, trình độ gia công, chế tác và thi công của các đơn vị chuyên môn cũng ngày càng cao hơn. Chính vì vậy, việc có một nghiên cứu cụ thể về nhu cầu sử dụng cầu thép trong phát triển hạ tầng giao thông ở Việt Nam nói chung và khu vực ĐBSCL nói riêng là rất cần thiết.

Những ưu điểm của cầu thép đã được kiểm chứng trong quá trình xây dựng và khai thác. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế làm cho chủ đầu tư, đơn vị thiết kế và thi công chưa mạnh dạn trong việc sử dụng loại vật liệu này, đó là:

- Gỉ là mặt hạn chế lớn nhất của vật liệu thép, gây tốn kém trong việc duy tu, bảo dưỡng và làm giảm tuổi thọ của công trình.

- Giá thành của cầu thép hiện nay vẫn còn cao hơn so với cầu bê tông. Mặc khác, một chuỗi liên kết giữa các bên cung ứng, gia công và chế tác chưa được hình thành ở nước ta dẫn đến giá thành của vật liệu tăng lên.

- Một vấn đề nữa mà tác giả muốn đề cập là các cơ quan quản lý nhà nước vẫn chưa có cái nhìn tích cực về nhu cầu sử dụng và tầm quan trọng của cầu thép trong xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông.

2. Điều tra phân tích nguyên nhân của việc chưa phổ cập cầu thép trong xây dựng cầu ở khu vực ĐBSCL

Qua điều tra, khảo sát thực tế và tổng hợp các nghiên cứu có liên quan đến cầu thép trong các năm gần đây, tác giả nhận thấy rằng 3 hạn chế ở trên có thể giải quyết như sau:

2.1. Về tính năng của vật liệu

ĐBSCL là vùng ảnh hưởng nước mặn nên vật liệu sử dụng để xây dựng cầu nhất là thép dễ bị ăn mòn. Tốc độ gỉ trung bình của các dầm thép có lớp sơn bảo vệ ban đầu đạt ≥ 0,1mm/năm, nếu không được bảo vệ tốt thì các cầu thép sẽ bị giảm khả năng chịu tải đi rất nhiều lần. Các biện pháp hạn chế ăn mòn hiện nay chủ yếu là sơn hoặc mạ kẽm. Tuy nhiên, do môi trường ở khu vực này có tính xâm thực mạnh, cùng với đó là việc thi công sơn phủ chưa đạt yêu cầu và không thực hiện định kỳ khiến cho cầu thép bị xuống cấp nhanh chóng. Mặt khác, việc cạo gỉ và sơn phủ sẽ gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường, đồng thời chi phí duy tu bảo dưỡng sẽ tăng cao dẫn đến giá thành công trình cao hơn. Thép chịu thời tiết là một giải pháp hữu hiệu để khắc phục hạn chế trên.

Thép chịu thời tiết (tiếng Anh: weathering steels/weather resistant steels), là thép hợp kim thấp cường độ cao, khi dùng chúng trong điều kiện phù hợp, có thể được phơi bày ngoài hiện trường mà không cần phải sơn. Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ diễn ra trong thời gian đầu tương tự như các loại thép cacbon thông thường. Trong môi trường thích hợp, lớp gỉ này được hình thành đặc sít, làm giảm sự xâm nhập của oxi và hơi ẩm có thể xuống tới gần bằng không [2]. Công trình cầu sử dụng thép chịu thời tiết có thể đạt tuổi thọ 50 - 100 năm mà không cần phải sơn và chi phí duy tu bảo dưỡng cầu được giảm tới mức thấp nhất. Qua điều tra, ở khu vực phía Nam hiện có 6 cầu được làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết đã được xây dựng bằng nguồn tài trợ không hoàn lại của Chính phủ Nhật Bản từ năm 2003. Qua 12 năm sử dụng, mặc dù không có sự kiểm tra, duy tu bảo dưỡng định kỳ của các cơ quan quản lý nhưng tình trạng của các cầu nói trên vẫn rất tốt (Hình 2.1).

Hình 2.1: Bề ngoài của một cầu thép chịu thời tiết ở tỉnh Bình Dương

2.2. Về giá thành của cầu thép

Giá thành đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà tư vấn thiết kế, của cơ quan quản lý trong việc sử dụng cầu thép. Giá của vật liệu thép làm cầu hiện nay chịu ảnh hưởng chính bởi hai yếu tố: Nguồn cung ứng thép và đơn vị gia công chế tác.

2.2.1. Về nguồn cung ứng thép

Trước đây, sự phát triển của ngành thép Việt Nam đi theo chiều ngược khi công nghệ cán có trước công nghệ luyện. Ngành thép Việt Nam lệ thuộc 60% vào phôi thép thế giới; nguồn cung trong nước chưa tận dụng được. Năm 2012, Việt Nam nhập khẩu 7,6 triệu tấn thép các loại và nguyên liệu thép [3]. Việc nhập các loại thép nói trên là nguyên nhân làm giá thành vật liệu thép còn ở mức cao.

Từ năm 2007 đến nay đã có nhiều dự án của nước ngoài được cấp phép đầu tư, trong đó có 2 dự án đã khởi công là Nhà máy liên hợp thép Formasa - Sunco tại Vũng Áng, Hà Tĩnh công suất 15 triệu tấn/năm và Tycon - E.United tại Dung Quất, Quảng Ngãi, công suất giai đoạn 1 là 3 triệu tấn/năm. Như vậy, chỉ với 2 dự án này đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong giai đoạn 2007 - 2015, trong khi đó còn rất nhiều dự án khác đã hoạt động. Tổng công suất dự kiến là 55,2 triệu tấn/năm [3]. Như vậy, trong những năm tới, Việt Nam hoàn toàn tự chủ được nguồn cung về vật liệu thép. Giá thành cho vật liệu thép xây dựng nói chung và cho cầu thép nói riêng sẽ giảm đáng kể, cầu thép có thể cạnh tranh được với cầu bê tông cốt thép.

2.2.2. Về gia công, chế tác cầu thép

Hiện nay, ở khu vực phía Nam, nhiều công ty có thể gia công, chế tác và thi công các công trình cầu thép chịu tải trọng nhỏ, cầu giao thông nông thôn (GTNT), điển hình như Công ty cổ phần cơ khí An Giang, Công ty TTHH MTV cơ khí Tây Ninh… Qua điều tra khảo sát, một số dạng kết cấu phổ biến đang dùng cho các cầu tải trọng nhỏ và cầu GTNT ở khu vực ĐBSCL gồm có: Cầu dầm thép, cầu dàn thép xe chạy dưới hoặc xe chạy trên (cầu Bailey, Eiffel...) như cầu thép nông thôn loại M, MK, H, HA, HB, A, B; cầu treo dây văng; cầu vòm dàn thép không gian. Trong tương lai gần, chúng ta có thể kì vọng một khi nguồn cung trở nên dồi dào, một chuỗi liên kết từ nhà cung cấp vật liệu, đơn vị gia công chế tác và thi công được hình thành và một bộ quy chuẩn định hình kích thước các loại cầu phù hợp cho GTNT vùng ĐBSCL ra đời thì giá thành xây dựng cầu thép sẽ giảm hơn nữa.

Như vậy, với những phân tích trên, tác giả tin rằng trong thời gian tới, giá thành xây dựng công trình cầu thép hoàn toàn có thể cạnh tranh được với cầu bê tông. Tuy nhiên không phải lúc nào cầu thép cũng chiếm ưu thế về giá. Bài báo đưa ra một biểu đồ so sánh suất đầu tư giữa cầu thép và cầu bê tông dựa trên các số liệu được tổng hợp từ các công trình cầu đã xây dựng ở vùng ĐBSCL và khu vực phía Nam (Bảng 2.1, 2.2, 2.3, 2.4):

Bảng 2.1. Tổng hợp suất đầu tư của các cầu dầm I Bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL)

 Bảng 2.2. Tổng hợp suất đầu tư của các cầu dàn thép có sơn

Bảng 2.3. Tổng hợp suất đầu tư của các cầu thép chịu thời tiết

Bảng 2.4. Tổng hợp suất đầu tư các cầu dàn thép mạ kẽm

 

Hình 2.2: Biểu đồ so sánh suất đầu tư giữa cầu thép và cầu BTCT DƯL.

 Từ biểu đồ Hình 2.2 ta có những nhận xét sau:

- Khi chiều dài nhịp nhỏ, khoảng từ 9m - 21m, cầu BTCT DƯL có chi phí xây dựng thấp, do đó được sử dụng rộng rãi ở ĐBSCL.

- Khi chiều dài nhịp khoảng từ 21m - 24m, cầu thép (dàn thép, dầm thép) có chi phí xây dựng thấp hơn cầu BTCT DƯL.

- Khi chiều dài nhịp > 24m, chi phí xây dựng cầu BTCT DƯL có khuynh hướng tăng nhanh hơn cầu thép.

Dựa vào kết quả trên, có thể nhận thấy:

- Trường hợp sử dụng cầu BTCT DƯL sẽ không có lợi về mặt giá thành xây dựng, biện pháp thi công (do thiết bị thi công lớn, việc vận chuyển dầm khó khăn, kích thước mố trụ cầu lớn . . .) không phù hợp cho GTNT.

- Trường hợp sử dụng cầu thép như cầu dầm, dàn, cầu treo là hiệu quả, điều này đặc biệt có ý nghĩa rất lớn đối với khu vực ĐBSCL vì giao thông thủy cần khổ thông thuyền lớn, thích hợp cho vận chuyển hàng hóa và chuyên chở phương tiện để phòng chống lụt bão ở khu vực này.

2.3. Nhận thức của các cơ quan quản lý nhà nước về cầu thép

Những hạn chế về gỉ và giá thành của cầu thép mà trước đây chưa giải quyết được là nguyên nhân chính làm cho các cơ quan quản lý, đơn vị tư vấn thiết kế có cái nhìn thiếu tích cực về cầu thép (giá thành cao, tuổi thọ công trình thấp, duy tu bảo dưỡng phức tạp và tốn kém…). Tuy nhiên, những phân tích trên đây đã chỉ ra rằng các hạn chế của cầu thép đang dần được khắc phục. Trong khi đó, nhu cầu cải tạo, nâng cấp và xây mới các công trình cầu ở khu vực ĐBSCL là rất lớn. Do đó, đây là cơ hội để cầu thép phát huy tính ưu việt trong quá trình xây dựng và khai thác công trình giao thông ở khu vực này.

3. Khả năng ứng dụng cầu thép ở khu vực nông thôn ĐBSCL

Vùng ĐBSCL có những đặc điểm đặc trưng nên khi xây dựng cầu nông thôn cho khu vực này cần đáp ứng được các tiêu chí sau:

- Khí hậu vùng ĐBSCL chia làm 2 mùa rõ rệt. Vào mùa mưa, nước lũ dâng cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công nên các công trình chủ yếu được xây dựng vào mùa khô, yêu cầu đặt ra là phải rút ngắn thời gian thi công. Cầu thép với kết cấu định hình có tính thi công lắp ráp cao, thi công tại hiện trường đơn giản, chi phí hợp lý, phù hợp với khẩu độ thường sử dụng ở ĐBSCL.

- Giao thông đường thủy phổ biến nên cần phải đảm bảo tĩnh không thông thuyền cho các phương tiện thủy qua lại dễ dàng, nhất là vào mùa mưa lũ. Cầu thép có thể vượt nhịp lớn mà không cần phải có trụ giữa, điều này góp phần mở rộng khoảng thông thuyền, đồng thời tiết kiệm chi phí cho kết cấu phần dưới.

- Do địa chất ở vùng này chủ yếu là các dạng đất yếu như sét dẻo, bùn sét hữu cơ, bùn á cát, bùn á sét và đất than bùn. Sức chịu tải đất nền yếu nên dễ gây sụt lở nếu có biến dạng lớn. Kết cấu phần trên phải nhẹ để giảm áp lực xuống kết cấu phần dưới. Vật liệu thép tuy có khối lượng riêng lớn hơn nhiều so với bê tông nhưng lại có khả năng chịu được tải trọng lớn với kết cấu được thiết kế thanh mảnh hợp lý.

4. Kết luận

Khả năng ứng dụng cầu thép trong xây dựng cầu GTNT ở ĐBSCL là hoàn toàn khả thi bởi nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông ở khu vực này là rất lớn, cầu thép có nhiều ưu điểm phù hợp với đặc thù của vùng. Bên cạnh đó, trình độ gia công chế tác ngày càng được nâng cao; các công ty có những sản phẩm là thế mạnh của mình và trong tương lai gần giá nguyên vật liệu sẽ giảm là những điều kiện thuận lợi để thúc đẩy sự phổ cập của cầu thép trong xây dựng cầu GTNT.

Thực tế khảo sát đã cho thấy cầu thép chịu thời tiết có thể sử dụng được ở khu vực ĐBSCL. Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu cụ thể hơn về khả năng ứng dụng loại vật liệu này trong xây dựng cầu. Mặt khác, thép chịu thời tiết là vật liệu “mới” đối với Việt Nam và phải nhập từ nước ngoài nên giá thành cao. Hy vọng rằng, khi mà các nhà máy lớn đi vào hoạt động, loại thép này sẽ được sản xuất rộng rãi ở Viêt Nam với giá thành hợp lý.

Việc hình thành chuỗi liên kết giữa tư vấn thiết kế, nhà cung cấp vật liệu, đơn vị gia công chế tác và thi công sẽ tạo ra một quy trình khép kín giúp tăng tính công xưởng của cầu thép, đảm bảo chất lượng, ổn định được đầu ra và giảm giá thành. Các cơ quan quản lý nhà nước cần có cái nhìn bao quát về thế mạnh của cầu thép và những lợi ích lâu dài mà loại kết cấu này mang lại để mạnh dạn hơn trong việc sử dụng cầu thép trong phát triển hạ tầng giao thông, đẩy nhanh tiến độ thực hiện mục tiêu xây dựng hạ tầng ở địa phương.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Lê Đình Tâm (2006), Cầu thép, NXB. GTVT.

[2]. Corus Construction & Industrial (2005), Weathering Steel Bridges, Corus Construction & Industrial Technical Sales & Marketing, PO Box 1, Brigg Road, Scunthorpe, North Lincolnshirem, DN161BP.

[3]. Báo cáo Ngành thép năm 2013 của Hiệp hội thép Việt Nam VSA.

[4]. Báo cáo về thực trạng giao thông ở đồng bằng sông Cửu Long (2013), Viện Chiến lược và Phát triển GTVT