Phân tích lý thuyết các vấn đề và đánh giá hiệu quả của giải pháp mở rộng công trình cầu trên địa bàn TP. Hà Nội

PGS. TS. NGUYỄN NGỌC LONG TS. NGÔ VĂN MINH ThS. LÊ HÀ LINH KS. TRẦN MẠNH CƯỜNG Trường Đại học Giao thông vận tải

TÓM TẮT: Bài báo tiến hành phân tích về các vấn đề cần nghiên cứu giải pháp mở rộng với các cầu hiện hữu trong thành phố có mật độ dân cư cao như Hà Nội, từ đó phân tích khả năng áp dụng các giải pháp này trong mở rộng các khổ hẹp trên địa bàn Thành phố nhằm nâng cao khả năng lưu thông, đáp ứng nhu cầu về giao thông ngày càng tăng của khu vực.

TỪ KHÓA: Cầu yếu, khổ hẹp, tăng cường cầu, mở rộng cầu, giao thông TP. Hà Nội.

Abstract: The paper analyses about the approach of widening existing bridges in the urban area with high density of population like Hanoi city. Thenceforward, the paper analyses the possibility of the approach in widening the existing narrow bridges in this city in order to improve the traffic circulation capacity to satisfy the increasing demand of traffic in the area.

Keywords: Weak bridge, narrow bridge, strengthening and repairing existing bridges, traffic status in Hanoi city.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trên thế giới, việc gia cường và mở rộng các cầu yếu, khổ hẹp là vấn đề được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm bởi nhiều tổ chức nghiên cứu. Hiện nay, nhiều giải pháp công nghệ hiện đại được tiến hành triển khai áp dụng trong thực tế và đem lại hiệu quả rõ ràng cho kinh tế - xã hội.

Ở Việt Nam nói chung và TP. Hà Nội nói riêng, phần lớn các cây cầu được xây dựng qua nhiều thời kì lịch sử khác nhau, do đó sử dụng các chủng loại vật liệu, giải pháp kết cấu khác nhau và được thiết kế cho các khổ cầu và tải trọng thiết kế khác nhau. Trước những năm 1990, kết cấu được sử dụng phổ biến là kết cấu dầm bê tông cốt thép (BTCT) và dầm thép liên hợp, chịu tải trọng H10, H13, hoặc H13 kết hợp với X60 theo Tiêu chuẩn 22-TCN-18-79. Khổ các cầu được thiết kế trong giai đoạn này thường là khổ hẹp gồm hai làn xe cơ giới rộng 3.5m cộng thêm phần lề người đi khác mức cho đường cấp 3 đồng bằng (ví dụ như cầu Mọc, cầu Giấy, cầu Yên Hòa). Từ những năm 2000, các cầu được xây dựng mới có tải trọng thiết kế là H30 hoặc H30 và XB80 và khổ cầu được mở rộng hơn. Rất nhiều cầu trên địa bàn hiện đang cắm biển hạn chế tải trọng với các biển hạn chế có giá trị phổ biến là 10T, 13T, 18T, 20T và 25T.

Trong khi đó, hiện nay tình hình UTGT trên địa bàn TP. Hà Nội ngày càng thường xuyên, đặc biệt trong giờ cao điểm như là một vấn đề cấp bách. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là việc tồn tại các cầu hẹp, cầu yếu trên mạng lưới giao thông như một nút tắc, gây cản trở giao thông trong đô thị.

Về cầu hẹp, hiện đang tồn tại các cầu vẫn đảm bảo về năng lực chịu tải nhưng không đáp ứng được yêu cầu về thông xe trong những cung giờ cao điểm, không đáp ứng được nhu cầu khai thác. Việc phá bỏ để xây dựng mới sẽ rất lãng phí vì cầu hiện tại vẫn còn tốt. Bên cạnh đó, sự tồn tại các cầu yếu không đáp ứng khả năng chịu tải chung cũng sẽ làm xuất hiện những nút tắc về giao thông, dẫn đến việc phân luồng phương tiện giao thông trở nên phức tạp, gây ảnh hưởng đến dòng giao thông chung và cũng tiềm ẩn những rủi ro về mất an toàn cho công trình và người tham gia giao thông nếu xảy ra sự cố. Do đó, trong điều kiện hiện nay của ngành GTVT nói chung và TP. Hà Nội nói riêng, giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất là tăng cường mở rộng các cầu này cho phù hợp với nhu cầu giao thông chung của tuyến đường đô thị.

Dựa vào những phân tích trên, bài báo nghiên cứu về các giải pháp tăng cường mở rộng các cầu yếu, hẹp có khả năng áp dụng trên địa bàn TP. Hà Nội, từ đó tìm ra và đánh giá được các giải pháp thiết kế tăng cường mở rộng cầu, nhằm mục đích vừa tận dụng tối đa năng lực chịu tải và năng lực giao thông của các cầu hiện hữu, vừa nhanh chóng nâng cấp các cầu này đáp ứng nhu cầu giao thông chung của Thành phố.

2. GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG MỞ RỘNG CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TP. HÀ NỘI

2.1. Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề cần lưu ý trong mở rộng cầu trên địa bàn TP. Hà Nội

Khi xem xét mở rộng một công trình cầu, cần xem xét kỹ lưỡng các vấn đề, trong đó bao gồm việc quyết định phần nào của kết cấu hiện tại được giữ lại; điều tiết, kiểm soát giao thông trong quá trình thi công; những hạn chế về kết cấu và xây dựng. Do đó, cần tuân thủ một trình tự nhất định, bao gồm:

- Xem lại các hồ sơ bản vẽ và thông số kỹ thuật của kết cấu ban đầu;

- Xem lại những thay đổi có thể đã được áp dụng trong việc xây dựng ban đầu;

- Kiểm tra, đánh giá lại kết cấu một cách triệt để và lưu ý những thay đổi trong điều kiện địa chất, thủy lực, thủy văn tại vị trí cầu, chẳng hạn như xói...

- Có được thông tin bổ sung về địa tầng, bao gồm cả lỗ khoan, khi móng được mở rộng.

Việc cần xem xét đầu tiên cho việc mở rộng cầu là có thể giữ lại phần mặt cầu không. Toàn bộ mặt cầu nên được thay thế nếu mặt cầu hiện có bé hơn một nửa chiều rộng mặt cầu mới hoặc mặt cầu hiện tại đang xuống cấp nghiêm trọng. Nếu mặt cầu hiện có được giữ lại, quá trình thiết kế phải tính đến việc truyền mô-men và lực cắt theo chiều dọc giữa phần mới và cũ của mặt cầu.

Ngoài ra, trong suốt quá trình thiết kế và thi công, cần phải đặc biệt chú ý đến các yếu tố:

- Đảm bảo giao thông: Mối quan tâm đầu tiên trong quá trình thi công tăng cường, mở rộng cầu là sự an toàn và tiện lợi của các phương tiện giao thông, an toàn lao động của những công nhân và thiệt hại tiềm năng cho công việc thi công. Lý tưởng nhất là sử dụng một tuyến đường thay thế. Tuy nhiên, do chi phí cao của một cầu hay đường tạm nên trong phần lớn dự án, các phương tiện vẫn tham gia giao thông được trên cây cầu trong suốt quá trình tăng cường, mở rộng. Điều này có thể tạo ra tình trạng tắc nghẽn tại công trường (nhất là trong giờ cao điểm với tình hình giao thông ở Hà Nội), dẫn đến làm gia tăng rung động và độ võng từ hoạt tải trên cầu. Những rung động này có thể gây ra lún và chuyển vị của bê tông tươi cũng như gãy vỡ trong bê tông cứng mặc dù khả năng này là rất hiếm. Lúc này, cần bố trí sao cho các phương tiện giao thông có thể di chuyển trên ít nhất một làn đường từ việc tăng cường, mở rộng trong vị trí của bản mặt cầu bê tông, đặc biệt đối với tăng cường, mở rộng kết cấu cầu dầm thép.

- Phòng ngừa những bất lợi cho kết cấu hiện tại: Việc tăng cường, mở rộng cầu thường phải có gia cố chống đỡ các hố đào tiếp giáp với cầu hiện tại và phá dỡ một số phần của cầu hiện tại. Hệ cột chống và rào chắn hố đào cần được theo dõi sát sao, cẩn thận vì sự an toàn của công nhân và công trình cầu và các phương tiện lưu thông trên đường liền kề hiện tại. Các hố đào nên được thiết kế sao cho kích thước được giảm thiểu một cách tối đa, ít gây ảnh hưởng đến vị trí xây dựng.

- Chuyển vị của kết cấu: Chuyển vị giữa kết cấu cũ và phần xây dựng mới phụ thuộc vào hình dạng của việc tăng cường, mở rộng. Nếu kết cấu tăng cường, mở rộng được nối cứng vào kết cấu hiện tại thì cần phải tính toán xem xét độ ổn định tổng thể của cả hệ kết cấu mới.

- Độ võng của kết cấu: Độ võng đặc trưng nên được đưa vào tính toán khi mặt cầu mới được nối cứng với mặt cầu hiện có. Trong trường hợp này, người thiết kế cần xem xét các đặc điểm về độ võng tương đối giữa phần hiện tại và phần mới của cây cầu khi lựa chọn các loại kết cấu để sử dụng trong tăng cường, mở rộng. Sự khác biệt đáng kể về độ cứng giữa kết cấu hiện tại và kết cấu mới có thể gây ra việc phân bố hoạt tải giữa các cấu trúc sẽ xảy ra theo chiều hướng khác nhau. Trong liên kết giữa mặt cầu mới và cũ, khác biệt về độ võng sẽ tạo ra độ chênh trên bề mặt có thể dẫn đến nguy hiểm cho phương tiện lưu thông. Những biến dạng cần xét đến bao gồm kết quả từ biến dạng đàn hồi và biến dạng tăng do từ biến.

- Các dao động từ phương tiện giao thông: Những dao động từ phương tiện giao thông đôi khi phát hiện được ở kết cấu xây dựng mới vẫn đang được kết nối tới các phần kết cấu cũ có phương tiện đi lại. Nghiên cứu chỉ ra rằng, hư hại như vậy có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng một trình tự xây dựng phù hợp và chi tiết thiết kế chính xác.

- Phá dỡ bản mặt cầu: Khi tăng cường, mở rộng cầu đều phá dỡ các bộ phận như lề đường, vỉa hè hoặc lan can, tạo ra một bề mặt thô ráp, gồ ghề không thích hợp cho các phương tiện giao thông qua lại. Tốt nhất nên loại bỏ tối thiểu lớp bê tông 38mm để tạo một bề mặt mới để phù hợp với lớp tiếp giáp; cắt thêm ít nhất 25mm bên dưới lớp cuối cùng làm mặt phẳng cứng cần thiết cho việc đổ bê tông mặt cầu mới.

2.2. Giải pháp mở rộng cầu hẹp trên địa bàn TP. Hà Nội

Giải pháp để mở rộng cầu trong đô thị thường sử dụng hiện nay là mở rộng kết cấu phần dưới, sau đó bổ sung thêm các dạng dầm đúc sẵn và đổ bê tông bản mặt cầu. Giải pháp này còn tồn tại hai nhóm vấn đề cần nghiên cứu, xem xét. Thứ nhất là trường hợp mở rộng cầu trong trường hợp các dầm hiện tại đó, đảm bảo khả năng chịu lực. Trường hợp thứ hai xảy ra khi dầm chủ hiện hữu không có đảm bảo khả năng chịu lực và phải tiến hành tăng cường trước khi mở rộng cầu. Cả hai trường hợp đều dẫn đến khả năng biến dạng không đều nhau giữa khối dầm cũ và mới. Vấn đề này trong thực tế được giải quyết bằng cách bố trí thêm dầm ngang nối dầm cũ và dầm mới để phân phối đều tải trọng và giải quyết biến dạng không đều trên mặt cầu bằng cách khe co giãn theo phương dọc.

Đối với công trình cần mở rộng, trước tiên cần xác định tuổi thọ khai thác mong muốn. Theo đó, một số câu hỏi cần phải đặt ra trong bài toán mở rộng công trình cầu như:

- Việc mở rộng có thể được thực hiện hoàn toàn trên kết cấu phần trên, hay kết cấu phần dưới cũng đòi hỏi phải mở rộng? Nếu mở rộng kết cấu phần dưới là cần thiết, thì trong các thiết kế ban đầu đã tính đến chuyện mở rộng này hay chưa?

- Nên mở rộng một hoặc cả hai bên?

- Liệu có nên xây dựng một kết cấu song song thay thế cho mở rộng hay không?

Các tiêu chuẩn thiết kế và tải trọng hiện hành phải được áp dụng đối với các tuyến đường có cầu cần mở rộng cầu. Do các bộ phận cũ của cầu được thiết kế sử dụng tiêu chuẩn cũ hoặc tải trọng nhỏ hơn hoạt tải hiện hành, việc thiết kế mở rộng nếu sử dụng các tiêu chuẩn và tải trọng cũ sẽ kéo dài sự thiếu hụt mãi mãi. Việc xây dựng phần mở rộng theo tiêu chuẩn hiện hành sẽ tạo ra cơ hội, sau đó thay thế hoặc tăng cường tất cả hoặc các phần của cầu hiện tại, do đó toàn bộ công trình có thể được nâng cấp. Do đó, cần phải lưu ý đến các yếu tố:

- Lựa chọn dạng kết cấu: Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn loại kết cấu cho công trình mở rộng. Sự lựa chọn tự nhiên nhất là sử dụng kết cấu cùng loại như bản gốc, nhưng điều này là không bắt buộc. Nếu không sử dụng được các kết cấu tương tự, độ cứng của kết cấu mở rộng cần được xem xét một cách cẩn thận với kết cấu hiện có.

- Tính thẩm mỹ và lịch sử: Tính thẩm mỹ và các yếu tố lịch sử của cầu hiện có thể cần phải xét đến thiết kế phần mở rộng duy trì những hình dáng đặc trưng của thiết kế ban đầu.

- Các yếu tố hình học của đường: Dựa trên yếu tố hình học của đường để lựa chọn vị trí phương án mở rộng cầu khớp với tuyến.

Một điều đáng chú ý trong công tác mở rộng cầu đó là vị trí mối nối giữa kết cấu mới và kết cấu hiện tại sau khi mở rộng cầu. Những sự cố có thể xảy ra bởi rung động do các phương tiện giao thông, biến dạng sau khi tháo dỡ ván khuôn và co ngót dọc do căng kéo có thể được giảm nhẹ bằng việc sử dụng các khe co giãn theo chiều dọc khi mối nối của phần mở rộng với mặt cầu hiện có nằm trong phần đường xe chạy. Tuy nhiên, nên tránh sử dụng khe co giãn dọc vì khớp nối như vậy có thể gây ra những vấn đề trong quá trình bảo trì.

Khi đó, vị trí mối nối thỏa mãn hai mục đích:

- Mối nối cho phép phần mở rộng độc lập chịu độ võng và rung động từ các phương tiện giao thông trên cây cầu hiện tại;

- Mối nối cho phép độ võng do tĩnh tải và dự ứng lực, qua đó rút ngắn của việc mở rộng để đạt được giai đoạn mà các phần của mặt cầu mới kết nối đến mặt cầu hiện có sẽ không bị quá tải do chuyển vị khác biệt giữa kết cấu cũ và kết cấu mới, trong khi dầm ngang kết nối chưa được hoàn thành.

2.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật với ví dụ mở rộng cầu Dịch Vọng

Cầu Dịch Vọng: Nằm trên tuyến đường Đào Tấn - Nguyễn Khánh Toàn được xác định là tuyến đường chính của Thành phố với bề rộng của tuyến là B = 40m (quy hoạch với hai chiều đường mỗi chiều đường chiều rộng 10.5m; dải phân cách rộng 3m và vỉa hè mỗi bên rộng 7 - 8m). Trước khi mở rộng, cầu có bề rộng tổng cộng là B = 18.0m, nên tạo thành nút thắt cổ chai, luôn luôn xảy ra UTGT vào giờ cao điểm.

 

Hình 2.1: Hình ảnh cầu Dịch Vọng trước khi tăng cường

2.3.1. Phương án kỹ thuật mở rộng cầu Dịch Vọng

Cầu Dịch Vọng được thiết kế mở rộng bằng giải pháp bổ sung mở rộng hai phần cầu mới nằm hai bên cầu Dịch Vọng hiện tại.

Hình 2.2: Bố trí ½ mặt cắt ngang cầu sau mở rộng

Phần mở rộng sẽ được thiết kế như sau:

- Chiều rộng mỗi phần mở rộng: B = 7.85m.

- Cầu mới và cầu hiện có sẽ được kết nối với nhau thông qua khe co giãn dọc cầu.

- Cầu mới được thiết kế 01 nhịp bằng thép chiều dài 36m.

- Bề rộng toàn cầu sau khi mở rộng: B = 0.5m + 4.5m + 24m + 4.5m + 0.5m = 34m. Trong đó, bề rộng phần xe chạy là 24m, bề rộng phần đi bộ mỗi bên là 4.5m.

Mặt cầu phần cầu hiện có và phần cầu mở rộng được nối với nhau qua khe co giãn dạng cao su bản thép có tổng độ dịch chuyển là 50mm để kết nối cầu hiện có với cầu mới. Việc sử dụng khe co giãn giải quyết được vấn đề chuyển vị giữa hai phần kết cấu và an toàn trong khai thác như đã nêu ở trên nhưng có thể không thuận lợi trong quá trình bảo trì.

Hình 2.3: Bố trí khe liên kết giữa cầu hiện có và phần cầu mở rộng

2.3.2. So sánh tính hiệu quả về kinh tế mở rộng cầu Dịch Vọng

Để so sánh về tính hiệu quả kinh tế, tác giả tiến hành so sánh trên các yếu tố: (1) Giá trị suất vốn đầu tư xây dựng, (2) hiệu quả về kinh tế - xã hội không định trước được.

- So sánh về giá trị suất đầu tư: Tổng chi phí đầu tư xây dựng mở rộng cầu Dịch Vọng được tóm tắt trong bảng:

Bảng 2.1. Tóm tắt giá trị tổng mức đầu tư mở rộng cầu Dịch Vọng

TT	Hạng mục công việc	Ký hiệu	Cách tính	Giá trị sau thuế
1	Chi phí xây dựng	GXD+GXDNT	GXD+GXDNT	24.330.323.000
2	Chi phí quản lý dự án	GQLDA	2,472%*G	546.817.000
3	Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng	GTV	GTV1+...+GTV13	2.098.965.000
4	Chi phí khác	GK	GK1+...+GK6	2.308.708.000
5	Chi phí dự phòng	GDP	GDP1+...+GDP2	4.400.924.000
6	Tổng mức đầu tư	TMDT	1+2+3+4+5	33.685.737.000

Hình 2.4: So sánh về hiệu quả suất đầu tư giữa mở rộng và xây mới cho cầu Dịch Vọng

- So sánh về các hiệu quả kinh tế - xã hội không định trước được: Trên góc độ quản lý nhà nước, lợi ích kinh tế mà dự án đem lại cho toàn xã hội, trên quan điểm đảm bảo phúc lợi cộng đồng nhiều nhất. Trong dự án này, những lợi ích kinh tế - xã hội bao gồm:

+ Chi phí vận hành phương tiện: Bao gồm chi phí cố định và chi phí biến đổi. Việc vẫn cho phép phương tiện lưu thông qua cầu hiện có và hạn chế đến tối thiểu thời gian thi công (sử dụng nhịp thép dài 36m và chỉ mở rộng mố, không xây trụ) để đưa công trình vào sử dụng làm giảm tối thiểu khấu hao lưu thông.

+ Các nhóm lợi ích mang tính xã hội và các ảnh hưởng tích cực đến cộng đồng: Giảm thời gian chờ đợi của người và phương tiện, giảm số lượng và mức độ TNGT, giảm sự mệt nhọc của hành khách, giảm mức độ ô nhiễm môi trường (do chất lượng khai thác của đường được nâng cao)...

3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Từ kết quả phân tích, tác giả đã nêu ra các vấn đề kỹ thuật của giải pháp mở rộng các cầu trên địa bàn TP. Hà Nội, đồng thời chỉ ra các vấn đề cần xét đến trong thiết kế và thi công mở rộng cầu với điều kiện lưu thông trên địa bàn Thành phố. Trong đó, tác giả đặc biệt chú ý đến ảnh hưởng của việc đảm bảo và điều tiết giao thông, các ảnh hưởng của nó đến sự hình thành của kết cấu và các vấn đề về sự làm việc giữa kết cấu mới và kết cấu hiện tại.

Trong tương lai, tác giả sẽ nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật khi sử dụng các giải pháp kết hợp tăng cường và mở rộng cầu trong điều kiện đặc thù về thi công trên địa bàn TP. Hà Nội. Qua đó, kiến nghị các giải pháp tối ưu và hiệu quả nhất cho tăng cường mở rộng các cầu yếu, khổ hẹp trên Thành phố.

Tài liệu tham khảo

[1]. N. L. Nguyễn (2000), Ứng dụng bê tông polime trong sửa chữa cầu BTCT ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long trong điều kiện thông xe bình thường, Tuyển tập các công trình khoa học Trường Đại học GTVT.

[2]. N. S. Ngô, V. H. Nguyễn và Q. M. Nguyễn (2010), Sửa chữa, tăng cường cầu dầm BTCT dự ứng lực bằng vật liệu chất dẻo cốt sợi carbon, Tạp chí Cầu đường Việt Nam, tr.23-29.

[3]. N. L. Nguyễn (2000), Sử dụng bê tông polime cốt sợi để sửa chữa các cầu BTCT trên Quốc lộ 80 (Cần Thơ) trong điều kiện thông xe bình thường, Tạp chí GTVT.

[4]. N.L. Nguyễn, V.M. Ngô, T.T Truyền, Đ.Đ. Nguyễn (02/2015), Sửa chữa tăng cường cầu bằng công nghệ dán tấm FRP, Tạp chí GTVT.

[5]. Z. Wu, K. Ghosh, X. Qing, V. Karbhari, F.-K. Chang, M. Tomizuka, C.-B. Yun and V. Giurgiutiu (2006), Structural health monitoring of composite repair patches in bridge rehabilitation, in Smart Structures and Materials: Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems.

[6]. A. Mosallam (4/2007), Structural Evaluation and Construction of Fiber-Reinforced Polymer Composites Strengthening Systems for the Sauvie Island Bridge, Journal of Composites for Construction, vol. 11.

[7]. H. Grube and D. Knop (1980), Widening of the Rhine river bridge at Cologne-Deutz. Application of pre-stressed lightweight aggregate concrete, International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, vol. 2.

[8]. Z. Y. Yang, X. Y. Zhang and H. B. Yu (5/2011), Strengthening Method of T-Beam Bridge and Effectiveness Evaluation, Advanced Materials Research, Vols. 219-220.

[9]. H. long Wang, W. liang Jin, D. J. Cleland and A. hui Zhang (5/2009), Strengthening an in-service reinforcement concrete bridge with prestressed CFRP bar, Journal of Zhejiang University SCIENCE A, vol. 10.