Nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ cầu trước va chạm với phương tiện thủy

TS. Lê Quốc Tiến Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: TS. Trần Khánh Toàn TS. Lê Thị Hương Giang

Tóm tắt: Thời gian qua, số vụ tai nạn giữa phương tiện nổi và cầu có chiều hướng ngày càng gia tăng. Những vụ va chạm giữa phương tiện nổi và cầu không chỉ gây ra những thiệt hại to lớn đến kinh tế - xã hội mà còn để lại những tác hại xấu cho môi trường. Chính vì thế, các biện pháp đảm bảo an toàn cho các cây cầu trước các vụ tai nạn gây ra bởi các phương tiện thủy là rất cần thiết. Bài báo giới thiệu các biện pháp bảo vệ trụ cầu, khu vực dễ xảy ra các vụ va chạm với phương tiện thủy, dựa trên tổng hợp các biện pháp bảo vệ cầu đã được sử dụng trên thế giới.

Từ khóa: Tàu, cầu đường, va chạm, an toàn hàng hải.

Abstract: Recently, the number of accidents between vessels and bridges has increased significantly. Such accidents not only have serious social and economic consequences but also include serious damage to the environment. Hence, protection of bridge piers against vessel collision has become essential. This article outlines the development of pier protection against vessel collision based collection from structural protection of bridges all over the world.

Keywords: Vessel, bridge, collision, maritime safety.

1. Đặt vấn đề

Thời gian qua đã có khá nhiều vụ va chạm giữa cầu với các phương tiện thủy xảy ra. Theo thống kê, từ năm 1960 đến 2007, trên thế giới đã có 34 vụ sập cầu và 346 nạn nhân bởi va chạm với phương tiện nổi [1]. Từ năm 2010 đến nay, Việt Nam đã xảy ra một số vụ tai nạn giữa cầu và phương tiện nổi gây thiệt hại hết sức to lớn về kinh tế - xã hội. Tiêu biểu như tháng 7/2010, do ảnh hưởng của bão, 3 chiếc tàu biển trọng tải lớn đang neo đậu ở các đà đóng mới, sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thủy Bạch Đằng (Hải Phòng) bị trôi và va đập mạnh vào cầu Bính. Tháng 11/2015, sà lan chở theo hơn 1.000 tấn đá xây dựng theo hướng từ hạ nguồn lên thượng nguồn sông Sài Gòn bất ngờ cabin va chạm vào nhịp cầu số 4 cầu Bình Lợi. Tháng 3/2016, một tàu thủy trọng tải 3.000 tấn khi di chuyển theo hướng thượng lưu về hạ lưu (xuôi từ Hải Phòng về Hải Dương) đã đâm vào trụ cầu An Thái - chiếc cầu nối huyện Kim Thành với huyện Kinh Môn (Hải Dương)... Trước những thiệt hại to lớn gây ra bởi va chạm giữa phương tiện thủy với cầu, cần thiết phải nghiên cứu các biện pháp bảo vệ cầu trước nguy cơ va chạm với phương tiện thủy [2]. Tuy nhiên, những nghiên cứu về các biện pháp phòng tránh va chạm tàu tại Việt Nam hiện nay còn rất hạn chế. Từ đó, tác giả đề xuất nghiên cứu về biện pháp bảo vệ cầu trước va chạm với phương tiện thủy.

Các yếu tố quan trọng nhất của bất cứ nghiên cứu nào trong lĩnh vực va chạm giữa tàu và cầu là xác định lực va và thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va này. Trong phần tiếp theo, tác giả đưa ra một số biện pháp bảo vệ cầu khỏi va chạm với phương tiện thủy được đúc rút từ những nghiên cứu của tác giả trong lĩnh vực này.

2. Lực va chạm

Nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực va chạm tàu được thực hiện bởi Minorsky dựa trên kết quả thực nghiệm của 26 vụ va chạm trực tiếp giữa hai tàu thủy vào năm 1958 [3]. Hình 2.1 cho thấy quan hệ tuyến tính giữa lượng biến dạng của thép trên cả hai tàu và năng lượng bị hấp thu. Tuy nhiên, lực va chạm này chỉ được dùng cho va chạm giữa hai tàu.

Đối với bảo vệ trụ cầu, va chạm trực diện của tàu với tường cứng dựa trên kết quả nghiên cứu của Woisin [4] đã được đưa ra. Theo đó, Woisin phát triển mối quan hệ động lực học giữa lực va chạm theo thời gian như Hình 2.2 và 2.3 với lực lớn nhất trong khoảng 0,1 đến 0,2 giây từ lúc bắt đầu va chạm gấp khoảng hai lần lực va trung bình sau vài giây.

 

Từ kết quả thí nghiệm của Woisin, tác giả kết luận rằng lực va tĩnh của một tàu lớn với tường cứng tỉ lệ với căn bậc hai của tấn trọng tải (DWT) của tàu (Hình 2.4). Tuy nhiên, trong quan hệ này, một khoảng phân bố rộng của lực va cho các tàu có cùng DWT dựa theo các dạng kết cấu vỏ tàu và vận tốc va chạm. Từ đó, Svensson [5] đề xuất công thức tính lực va với độ phân tán ±50%.

P = 0,88`sqrt(DWT)` .`+-50%` , với  là lực va trung bình theo MN.

Công thức này được Svensson đưa ra vào năm 1981 và được nghiên cứu và đề xuất trong tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu cao tốc về va chạm tàu của AASHTO [6]. Theo đó, quan hệ giữa phân bố của lực va trong nghiên cứu của Woisin kết hợp với đề xuất ±50% của Svensson được đưa ra trong Hình 2.4. Giản lược phân bố rộng của lực va tính toán của Woisin bằng cách sử dụng đường phân chia 70% giá trị trung bình của lực va tàu để tính lực phản hồi của cầu và ước tính các thành phần để chống lại lực va chạm (Hình 2.5). Đường 70% này dẫn đến sự tăng hệ số phân tính của đề xuất ±50% của Svensson từ 0,88 lên 0,98. Bên cạnh đó, Woisin cũng đề xuất thêm vào một hệ số  ứng với đa dạng các vận tốc.

 

 

 

 

Với  F- Bình quân lực va theo MN và  v- Tốc độ của tàu va theo m/s.

 

Tuy nhiên, lực va tối đa ước tính gấp đôi lực trung bình như trong Hình 2.3, không được đề xuất trong chỉ dẫn kĩ thuật của AASHTO vì nó được xem xét trong khoảng thời gian quá ngắn từ lúc bắt đầu va chạm để có thể gây ra những vấn đề lớn cho hầu hết các kết cấu. Lực va trung bình theo thời gian tăng lên tới 70% mức phân tách để đảm bảo chắc chắn khi phân tích.

Một công thức khác để xác định lực va chạm theo Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 1 [7], theo đó, lực va chạm thiết kế được xác định theo công thức:

F = `sqrt(Km)` .v, với K- Độ cứng tương ứng, m- Khối lượng va chạm và  v- Vận tốc.

Phương trình của tiêu chuẩn châu Âu này cho kết quả cao hơn một chút so với giá trị đưa ra bởi tiêu chuẩn AASHTO. Ngoài ra, theo Svensson còn có một số phương pháp để xác định lực va chạm như phương pháp của Pedersen và phương pháp của đại học Tongji.

 

3. Kết cấu bảo vệ

3.1. Giới thiệu chung

Để bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của phương tiện thủy, có thể sử dụng một số cách sau:

- Tránh va bằng cách đặt toàn bộ kết cấu cầu trên bờ;

- Làm chệch hướng tàu bằng đảo nhân tạo hoặc kết cấu dẫn hướng;

- Thiết kế trụ cầu đủ vững để chịu được va chạm trực tiếp.

3.2. Đặt kết cấu trên bờ

Cách an toàn nhất để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu là đặt chúng lên trên bờ. Bằng cách này, chi phí phụ trội do việc tăng chiều dài nhịp cầu có thể được tính vào phần chi phí tiết kiệm từ việc không phải dùng cho việc chi trả chi phí xây dựng công trình bảo vệ. Trong trường hợp cầu dạng vòm, phần vòm của cầu cần phải tránh ra vùng có thể bị tác động. Hình 3.1 và 3.2 minh họa về cầu Tjörn ở Thụy Điển chịu va chạm tàu và biện pháp khắc phục. Sau sự cố va chạm dẫn đến sập cầu, cầu mới được xây dựng có nhịp chính 366m, tăng từ cầu vòm ban đồ có nhịp 217m. Đồng thời, khoảng tĩnh cho toàn bộ chiều dài của nhịp chính là 45,3m.

Bên cạnh cầu Tjörn, trên thế giới có rất nhiều cầu cũng áp dụng cách này để hạn chế va chạm với phương tiện thủy như cầu Yang Pu ở Thượng Hải, Trung Quốc, cầu Stonecutter ở Hồng Kông...

3.3. Đảo nhân tạo

Với những vùng nước quá rộng để cầu có thể bắc qua mà không sử dụng trụ cầu trên kênh hành hải, nên sử dụng loại đảo nhân tạo này. Ưu điểm của phương pháp này là cho độ an toàn cao và cho phép dừng phương tiện thủy một cách từ từ, do đó hạn chế được gia tăng thiệt hại đối với vỏ tàu. Để bảo vệ khỏi ăn mòn, loại đảo này thực sự không yêu cầu duy tu mà chỉ đòi hỏi bồi đắp bổ sung thêm một lượng nhỏ sau va chạm. Việc sử dụng loại này thường bị hạn chế tới mức nó có thể không làm giảm mặt cắt ướt của dòng chảy dẫn tới tốc độ dòng chảy tăng lên một cách nguy hiểm.

Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ và cầu Kap Shui Mun ở Hồng Kông là hai công trình tiêu biểu sử dụng đảo nhân tạo để bảo vệ trụ cầu. Trong Hình 3.3 và Hình 3.4, hai cây cầu này được thiết kế với một trụ cầu được đặt trên bờ, đảo nhân tạo được xây dựng phục vụ cho trụ còn lại được đặt ở vị trí nước nông.

3.4. Kết cấu dẫn hướng

Kết cấu dẫn được thiết kế để đưa tàu ra xa khỏi trụ cầu hoặc thân cầu. Chúng thường không được thiết kế để chịu va chạm trực tiếp nhưng cho phép phương tiện thủy có kích thước vừa và nhỏ trượt qua.

Trong Hình 3.5, để tránh tàu va chạm với phần vòm ở hai phía gần bờ sông, cầu vòm Crown Prince ở Berlin, Đức đã sử dụng các tấm hướng dòng bằng thép. Tuy nhiên, phần thép sử dụng cho tấm hướng dòng này lại nhiều hơn cả phần thép dùng cho kết cấu cầu. Sẽ là kinh tế hơn nếu như mở rộng nhịp của cầu để trụ cầu nằm trực tiếp trên bờ và tránh khỏi tầm va của các phương tiện thủy.

 

Kết cấu dẫn hướng đã được sử dụng để bảo vệ trụ cầu vượt sông Neckar gần Kirchheim, Đức (Hình 3.6). Thành phần gia cường cho các tấm chắn bảo vệ là các ống thép chứa sỏi và được khoan vào lớp đá phía dưới. Động năng sinh ra do va chạm trượt qua bị hấp thụ thông qua biến dạng dẻo của các ống thép. Phần chịu biến dạng chính của kết cấu dẫn hướng được tính sao cho nó nằm cách xa phần trụ cầu 10m. Dẫn tới, nó làm giảm phần luồng hàng hải đi 20 đến 40m. Vì lý do này, cầu này đã được xây dựng lại bằng cách sử dụng các trụ cầu cố định được thiết kế có khả năng chịu được lực va chạm của phương tiện thủy lên nó.

3.5. Công trình bảo vệ độc lập

Với một số cầu được xây dựng tại những khu vực có độ sâu lớn và những cầu này đã được xây dựng lâu đời nên phần trụ cầu không được thiết kế để chịu tải trọng do va chạm tàu, việc thiết kế một hệ thống bảo vệ trở nên cần thiết để giảm thiểu những thiệt hại đối với những cây cầu này. Cầu Zárate Brazo-Largo ở Argentina là một công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu bảo vệ độc lập để tránh va chạm cho tàu có trọng tải lên tới 25.000DWT. Do cầu được xây dựng tại vùng nước có độ sâu lớn, thời gian xây dựng đã từ khá lâu nên các trụ cầu thiết kế không có khả năng chịu các tải trọng do va chạm tàu. Chính vì vậy, một trụ bê tông tròn độc lập được đề xuất xây dựng sử dụng cọc dài 70m có sàn dạng tam giác có thể chịu được va chạm tàu hoặc dẫn hướng cho tàu tránh khỏi trụ cầu (Hình 3.7). Tuy nhiên, dựa trên chi phí xây dựng, chủ đầu tư đã lựa chọn sử dụng hệ thống bảo vệ nổi [8] (Hình 3.8). Nguy cơ rủi ro lớn nhất cho dạng công trình bảo vệ nổi này là nó có thể bị nhấn chìm xuống nước và để tàu vượt qua khi va chạm với một số loại mũi tàu có dạng thẳng hoặc dạng xà lan.

 

Ngoài ra, công trình bảo vệ độc lập còn được sử dụng cho nhiều cầu khác trên thế giới, ví dụ như cầu Sunshine Skyway ở Tampa, FL, Mỹ và cầu Rosario-Victoria ở Argentina đã sử dụng các kết cấu trụ bảo vệ khác nhau để bảo vệ cầu khỏi va chạm với phương tiện thủy.

4. Kết luận

Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ xây dựng các công trình giao thông, đặc biệt là xây dựng cầu, yêu cầu cấp thiết cần phải có các biện pháp bảo vệ cầu khỏi các vụ va chạm với phương tiện thủy. Đúc rút từ quá trình nghiên cứu va chạm giữa cầu và phương tiện thủy, tác giả đã giới thiệu các biện pháp bảo vệ trụ cầu, khu vực dễ xảy ra các vụ va chạm với phương tiện thủy.

Tài liệu tham khảo

[1]. Sha, Y. and H. Hao (2012), Nonlinear finite element analysis of barge collision with a single bridge pier, Engineering Structures, 41: p. 63-76.

[2]. Tran, D.P. (2016), A study of Floating Protection System subjected to Vessel Collisions Considering Fluid-Structure Interaction, in Ocean Civil Engineering, Mokpo National Maritime University.

[3]. Minorsky, V.U. (1958), An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants, in Other Information:Orig. Receipt Date: 31-DEC-59, p. Medium: X; Size: Pages: 10.

[4]. Woisin, G. (1978), GKSS collision tests, United Kingdom. p. 51.

[5]. Svensson, H. (2009), Protection of Bridge Piers against Ship Collision, Steel Construction 2.

[6]. AASHTO (1991), Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges, in Final Report.

[7]. EN, Eurocode 1: Actions on structures, 1991.

[8]. Mondorf, P.E. (1983), Floating Pier Protections Anchored by Prestressing Tendons, IABSE reports = Rapports AIPC = IVBH Berichte, 42: p. 361-370.