Metro bước đột phá cho kết cấu hạ tầng giao thông thế giới

Hầm Metro tại London (Anh)

Hầm metro đầu tiên bắt đầu hoạt động vào ngày 10/01/1863 tại London, Anh. Ngay trong ngày khai trương, công trình đã đón được hơn 30.000 lượt hành khách. Ngày nay, metro này là một phần của hệ thống giao thông ngầm của TP. London với khả năng chuyên chở rất ấn tượng đạt 1,17 tỉ hành khách mỗi năm. Ở châu Á, tuyến metro đầu tiên được khánh thành tại hai thành phố của Nhật Bản là Tokyo năm 1927 và Osaka năm 1933. Metro được xây dựng ở hầu hết các thành phố lớn tại khắp các châu lục trên thế giới và góp phần vào việc vận chuyển có hiệu quả số lượng lớn hành khách công cộng trong cả ngày và đặc biệt vào các giờ cao điểm. Đây là một ưu thế riêng biệt của metro mà không loại hình vận tải hành khách công cộng nào trong đô thị so sánh được. Bài báo sẽ giới thiệu những thông tin cơ bản, khái quát về lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống metro trên thế giới với những hướng phát triển về kỹ thuật, công nghệ mà ngành nghề đang hướng tới để bắt kịp sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật và tiến trình đô thị hóa ngày càng nhanh và rộng hơn trên thế giới.

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Metro là một phương tiện vận tải hành khách công cộng theo tuyến cố định có khả năng trung chuyển số lượng lớn hành khách trong các khu đô thị với tốc độ cao. Tên gọi “metro” có nguồn gốc từ cụm từ “Chemin de fer métropolitain” trong tiếng Pháp, có nghĩa là đường sắt trong đô thị, được chính thức sử dụng từ đầu thế kỷ XX. Có người cho rằng, “metro” bắt nguồn từ cách viết tắt từ “metropolitan / metropolis” trong tiếng Anh hoặc “métropolitain” trong tiếng Pháp vốn để chỉ thuộc tính đô thị hoặc thủ đô của một sự vật. Cho đến nay, hầu hết các nước trên thế giới đều thống nhất sử dụng tên gọi “metro” bên cạnh các tên khác ít phổ biến hơn như “subway”, “tube”, “underground” hoặc “MRT” (Mass Rapid Transit).

Trong tiếng Việt, metro còn được gọi là tàu điện ngầm. Metro là loại tàu điện chỉ chuyên chở hành khách thường chạy trên ray nằm trong các đường hầm dưới lòng đất ở các khu đô thị. Một tuyến metro phải có tối thiểu 2 toa với sức chứa tối thiểu 100 hành khách cho mỗi lượt chạy. Do không giao cắt trực tiếp với các tuyến giao thông khác nên tàu chạy với tốc độ cao, thông thường từ 30 đến 50km/h. Khoảng cách giữa các nhà ga trên tuyến ngắn (trung bình trên thế giới là 1,2km) và tàu chạy nhanh nên thời gian hành khách lưu lại trên tàu không quá lâu. Vì thế, các toa xe không bố trí nhiều ghế ngồi để giữ khoảng không gian trống, rộng rãi chứa lượng hành khách tăng cao đột ngột trong các giờ cao điểm. Có nhiều loại hình tàu khác nhau: Tàu bánh sắt chạy trên hai ray giống như đường sắt thông thường, tàu bánh hơi chạy trên hai ray, tàu bánh hơi một ray (“monorail”), tàu không bánh chạy trên đệm điện từ (“maglev”). Thời kỳ đầu (trong thế kỷ 19), metro chạy bằng than củi hoặc than đá, sau đó nhanh chóng chuyển sang năng lượng điện từ thế kỷ 20 đến nay. Bên cạnh các tàu có người lái, rất nhiều tuyến metro hoạt động tự động không có người lái như ở Paris (Pháp), Copenhagen (Đan Mạch), Kuala Lumpur (Malaysia), Seoul (Hàn Quốc), Sao Paulo (Brazil)... Về công nghệ xây dựng, các đoạn tuyến nối giữa các ga của metro nằm sâu bên dưới lòng đất thường được thi công bằng công nghệ TBM (“Tunnel Boring Machine” - máy đào hầm) và NATM (“New Autrian Tunnelling Method” - phương pháp đào hầm mới kiểu Áo). Các đoạn tuyến nằm gần mặt đất, các nhà ga ngầm, các vị trí đón, trả khách tiếp nối với mặt đất thường được thi công bằng công nghệ “Cut and Cover” (Đào và Lấp) với nhiều phương pháp cụ thể như “Top - Down” (từ trên xuống), “Bottom - Up” (từ dưới lên)...    

Các tuyến đường sắt đô thị đi cao kết hợp đi ngầm có rất nhiều điểm chung với hệ thống metro và trong thực tế vẫn đang được song song khai thác ở nhiều thành phố trên thế giới và vẫn được xếp chung vào mạng lưới giao thông ngầm tại khu vực. Điển hình như các mạng lưới RER ở Paris (Pháp), S-Bahn ở Berlin (Đức), các tuyến cao tốc nối với sân bay ở nhiều thành phố khác hoặc các tuyến liên thành phố. Tuy nhiên, nhiều ý kiến không coi đường sắt đô thị là metro. Một trong những đặc điểm phân biệt rõ rệt nhất là mạng lưới metro sử dụng hệ thống đường ray riêng biệt và chỉ nằm trong phạm vi của một đô thị nhất định. Đây là lý do khiến cho mạng lưới metro ở một số thành phố trên thế giới như Mumbai, Chennai (Ấn Độ), tuyến số 11 ở Thượng Hải (Trung Quốc) không thực sự được công nhận là metro theo các định nghĩa đã được công bố trên thế giới. Trong các nghiên cứu về mạng lưới metro toàn cầu, UITP (Hiệp hội quốc tế về Giao thông công cộng) không xét tới các tuyến đường sắt đô thị (“suburban rail”). Đây là một điểm cần lưu ý vì lâu nay, chúng ta vẫn thường “gọi nhầm” hai mạng lưới đường sắt đô thị đang được triển khai xây dựng ở nước ta tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh cũng là metro. Bài báo tiếp theo sẽ giới thiệu về tình hình phát triển đường sắt đô thị ở Việt Nam, chúng tôi xin được phân tích kỹ hơn về nội dung này. 

2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Metro có lịch sử hình thành và phát triển từ thế kỷ 19. Trải qua ba thế kỷ, ngày nay metro đã trở thành xương sống cho mạng lưới giao thông công cộng hiện đại của 157 thành phố với hơn 540 tuyến qua 9.000 nhà ga trên 11.000km. Năm 2015, UITP (Hiệp hội quốc tế về Giao thông công cộng) công bố thống kê về mạng lưới metro trên toàn thế giới phân chia theo khu vực địa lý xếp loại theo chiều dài tuyến hiện đang khai thác.        

Theo UITP, các mạng lưới metro vận chuyển được hơn 160 triệu lượt hành khách mỗi ngày (50 tỷ lượt hành khách mỗi năm), chiếm 11% lưu lượng giao thông công cộng trên toàn thế giới. UITP cũng đã xếp hạng 10 tuyến metro đông khách nhất trong năm 2012 như sau:

Ngày nay, mạng lưới metro tham gia tích cực vào đời sống xã hội của đô thị, không chỉ cung cấp dịch vụ vận tải hành khách công cộng, các dịch vụ tích hợp (thương mại, giải trí) mà còn cho phép kết nối Internet không ngắt quãng trong nhà ga, trên các tuyến với sóng wifi, 2G, 3G và 4G. Cũng theo các điều tra của UITP công bố vào tháng 10/2014, có 77% mạng lưới metro, 73% nhà ga và 58% tuyến tàu có ít nhất một loại hình truy cập Internet. Đây là một trong những nỗ lực của các công ty quản lý và khai thác mạng lưới metro để đảm bảo thu hút được hành khách trong cạnh tranh gay gắt với các loại hình giao thông công cộng khác và với giao thông cá nhân. Xin giới thiệu đến bạn đọc một số kỷ lục thế giới của các mạng lưới metro đã được ghi nhận:

2.1. Tuyến metro lâu đời nhất thế giới

Metro đầu tiên trên thế giới được khởi công năm 1860 dài khoảng 5km gồm 3 nhà ga từ Paddington đến Farringdon ở Thủ đô London (Anh). Đoạn tuyến được xây dựng theo đề xuất của luật sư Charles Pearson khi điều kiện giao thông trên mặt đất của London trở nên quá tải, gây ảnh hưởng lớn đến đời sống kinh tế và xã hội. Công trình này được khánh thành ngày 10/01/1863 mang tên “Metropolitan Railway” (Đường sắt thủ đô). Trong ngày khai trương, công trình đã đón được hơn 30.000 hành khách. Ngay trong năm đầu tiên, “Metropolitan Railway” đã chuyên chở được gần 12 triệu hành khách (gấp hơn 3 lần dân số của thành phố tại thời điểm đó) với các tàu chạy bằng đầu máy hơi nước. Ngày nay, mạng lưới metro ở London dài tổng cộng 402km với khả năng chuyên chở rất ấn tượng (đạt 1,17 tỉ lượt hành khách trong năm 2011 - 2012).

2.2. Mạng lưới metro dài nhất thế giới

Đứng đầu thế giới về chiều dài tuyến là mạng lưới metro ở TP. Thượng Hải (Trung Quốc) với khoảng 548km gồm 14 tuyến. Đây cũng là mạng lưới phát triển nhanh nhất thế giới. Từ phần phía Nam của tuyến số 1 ngày nay bắt đầu chính thức hoạt động ngày 28/5/1993 dài 4,4km chỉ nằm trong nội đô, đến ngày 16/10/2013, mạng lưới đã chính thức vượt khỏi phạm vi Thượng Hải để kết nối với TP. Kunshan của tỉnh Giang Tô bằng tuyến số 11 dài 72km trên hành trình dài 70 phút. Tuy nhiên, nhiều tranh cãi cho rằng, tuyến số 11 này đã vượt quá phạm vi của TP. Thượng Hải nên không thuộc hệ thống metro theo quan điểm truyền thống. Mạng lưới metro ở Thượng Hải vẫn đang phát triển không ngừng, dự kiến đến năm 2020 sẽ mở rộng tới 22 tuyến, trải dài hơn 800km để kết nối với giao thông của các tỉnh lân cận. 

2.3. Tuyến metro ngắn nhất thế giới

Tuyến metro ở TP. Catania (đảo Sicilia, Italia) bắt đầu hoạt động từ ngày 27/6/1999 dài 3,8km với 6 nhà ga được xếp hạng là tuyến metro ngắn nhất trên thế giới. Thực chất, tuyến chỉ đi trong hầm 1,8km ở nửa phía Bắc, phần phía Nam dài 02km phần chạy trên mặt đất. “Metropolitana di Catania” (metro của Catania) có 4 tàu, rời bến với tần suất 15 phút nhưng chỉ hoạt động từ 7h sáng đến 8h45 tối trong các ngày cuối tuần. Có lẽ đây cũng là tuyến hoạt động ít nhất trong mạng lưới metro trên thế giới.

2.4. Mạng lưới metro đông đúc nhất thế giới

Mạng lưới metro của TP. Tokyo (Nhật Bản) gồm hai hệ thống điều hành và khai thác hoạt động đồng thời là “Tokyo Metro” và “Toei Subway”: “Tokyo Metro” có 9 tuyến với 184 nhà ga, còn “Toei Subway” có 4 tuyến với 106 nhà ga. Tổng chiều dài mạng lưới đến năm 2015 là 304,1km với tuyến đầu tiên trong mạng lưới được khai thác năm 1972 chỉ dài 2,2km, nối từ Asakusa đến Ueno. Tần suất trung bình của các tuyến chính trong giờ cao điểm là 2 đến 3 phút. Theo các số liệu công bố chính thức, năm 2012, mạng lưới phục vụ được 3.294 triệu lượt hành khách và đến năm 2015 con số này đã tăng thêm 10% (đạt 3.636 triệu lượt). Theo sát Tokyo (Nhật Bản) là mạng lưới metro của Thủ đô Bắc Kinh (Trung Quốc) khi năm 2012 mới chỉ đứng thứ 4 thế giới với 2.460 triệu lượt hành khách nhưng năm 2015 đã vươn lên thứ 2 đạt 3.410 triệu với mức tăng kỷ lục 39%.

2.5. Di sản văn hóa thế giới do UNESCO công nhận

Năm 2002, tuyến metro số 1 (metro vàng) với tên gọi “Millennium Underground Railway” (Đường sắt ngầm thiên niên kỷ) nằm trong quần thể kiến trúc - cảnh quan tại Thủ đô Budapest (Hungary) được UNESCO công nhận là di sản văn hóa thế giới. Tuyến dài 4,4km chạy dọc theo đại lộ Andrássy nối từ Vörösmarty-tér đến Mexikói-út với các tàu chạy bằng điện với tốc độ khai thác 60km/h. Được xây dựng từ năm 1894 và bắt đầu hoạt hoạt động năm 1896, ngoài danh hiệu “di sản thế giới”, tuyến metro còn nắm giữ nhiều kỷ lục: Tuyến metro lâu đời nhất ở Budapest và lâu đời thứ 2 trên thế giới chỉ sau “Metropolitan Railway” của London (Anh), tuyến chạy bằng điện đầu tiên ở địa lục châu Âu.

2.6. Tương lai phát triển

Metro đã và đang khẳng định vai trò quan trọng trong hệ thống giao thông công cộng của các đô thị lớn, góp phần vào việc đảm bảo cơ sở hạ tầng phát triển bền vững phục vụ cho quá trình phát triển đô thị ngày càng tăng nhanh trên toàn thế giới. Hai xu hướng phát triển trong tương lai cho mạng lưới metro trên thế giới là nâng cao tốc độ tàu chạy và tự động hóa hoạt động của mạng lưới. Hòa chung nhịp phát triển của các chuyến tàu đường sắt cao tốc trên thế giới, các tuyến metro cao tốc cũng được nghiên cứu và đưa vào khai thác chính thức. Năm 2012, tuyến metro cao tốc từ ga ngầm đường Longyang đến sân bay quốc tế Phố Đông ở TP. Thượng Hải (Trung Quốc) dài 29km chạy bằng tàu điện từ đạt vận tốc 431km/h là tuyến “maglev” ngầm đầu tiên trên thế giới. Kỷ lục thế giới hiện nay là metro trên tuyến Tokyo - Nagoya (Nhật Bản) thiết kế đạt 500km/h dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2027.

Các tuyến metro cũng được hiện đại hóa khi dần thay thế các tuyến cũ có người lái bằng các tuyến mới tự động hóa một phần hoặc toàn bộ quá trình hoạt động bao gồm cả việc lái tàu và công tác điều hành - kiểm soát. Có 4 cấp đánh giá mức độ tự động hóa của một tuyến metro được UITP phân loại và giải thích được trình bày trong bảng sau đây:

Hiện nay, trên toàn thế giới có 52 tuyến metro dài 732km ở 35 thành phố đạt cấp 4  - tự động hoàn toàn và xu hướng này ngày càng tăng lên theo thời gian. Pháp là nước đi đầu với tỷ lệ tự động hóa đạt 17%, tiếp theo là Hàn Quốc đạt 15%. Mạng lưới metro tự động hóa hoàn toàn dài 80km tại Dubai (Tiểu vương quốc Ả rập thống nhất) đứng vị trí thứ nhất thế giới. Thành tựu có được là nhờ các tiến bộ trong ngành khoa học kỹ thuật về thông tin tín hiệu, điều khiển và khả năng chính xác cao trong chế tạo tàu và xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng cho mạng lưới metro. Châu Á đang dẫn đầu xu hướng này và sẽ tiếp tục chiếm giữ vị trí trong tương lai với việc tiếp tục mở rộng và hiện đại hóa các tuyến metro hiện có ở nhiều thành phố lớn (Bắc Kinh, Thượng Hải - Trung Quốc, Seoul - Hàn Quốc, Singapore...). Theo ước tính của UITP, đến năm 2025, tổng số tuyến tự động hoàn toàn sẽ vượt 2.200km trên toàn thế giới.

Trải qua lịch sử phát triển 3 thế kỷ, metro đã và đang là hệ thống giao thông công cộng tiên tiến, đáp ứng được nhu cầu giao thông của người dân trong các khu đô thị, đáp ứng được quá trình phát triển “nóng” trong các đô thị bậc nhất trên thế giới khi không gian sống trên mặt đất, trên cao và dưới lòng đất ngày càng chật hẹp bởi những công trình xây dựng dày đặc của cơ sở hạ tầng xã hội hiện đại và thuận tiện nhất. Việc phát triển hệ thống metro cùng với các loại hình giao thông khác trong đô thị cần được thực hiện cẩn thận ngay từ bước quy hoạch là một vấn đề then chốt để đảm bảo sự phát triển bền vững và thành công. Tại Hội thảo khoa học quốc tế Hanoi Geotech 2016, những vấn đề về kỹ thuật và quy hoạch hệ thống metro và giao thông ngầm sẽ được các học giả trình bày tạo điều kiện cho các trao đổi học thuật trong các nhà ga, kỹ sư, những người đang làm việc trong lĩnh vực GTVT. Đây là một cơ hội to lớn để nền khoa học kỹ thuật nước nhà tiếp cận và cập nhật với những kết quả nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực GTVT.

Tài liệu tham khảo

[1]. International Association of Public Transport (10/2015), World metro figures, Statistics brief 2014 outlook and focus on automated lines, UITP.

[2]. International Association of Public Transport (10/2014), World metro figures. Statistics brief 2014, UITP.

[3]. Các trang thông tin chính thức của công ty quản lý mạng lưới giao thông ngầm ở các thành phố trên thế giới.