Giải pháp cầu cạn cho phát triển bền vững hệ thống hạ tầng giao thông Việt Nam

MTXD - Với phương án đề xuất sử dụng cầu cạn kết hợp với thiết kế tối ưu hạn chế sử dụng hầm chui dân sinh, thì suất đầu tư xây dựng 1 km đường cao tốc ở vùng ĐBSCL đều nằm trong suất đầu tư của một số dự án đã hoàn thành.

1. Tổng quan về quy hoạch, phát triển mạng lưới đường cao tốc tại Việt Nam

Đến năm 2030 hoàn thành hơn 5.000 km đường cao tốc, năm 2050 hoàn thành 41 tuyến cao tốc, tổng chiều dài hơn 9.000 km.
Chiều dài các tuyến đường cao tốc được triển khai và hoàn thành giai đoạn 2021 - 2025 là 1.932 km, gấp gần 4 lần giai đoạn 2015 - 2020 là 487 km.

Nguồn vốn đầu tư từ ngân sách thực hiện đường bộ cao tốc giai đoạn 2021 - 2025 là 339 nghìn tỷ đồng cũng gấp gần 4 lần so với giai đoạn 2015 - 2020 là 89 nghìn tỷ đồng.

Trong đó, việc triển khai xây dựng đường cao tốc vùng ĐBSCL đang gặp rất nhiều khó khăn về vật liệu đắp nền và nguy cơ chậm tiến độ, tăng tổng mức đầu tư, cần có giải pháp đánh giá tính khả thi và bền vững.

Vùng ĐBSCL có diện tích 40 nghìn km2, dân số 17,2 triệu người, có cao độ trung bình từ 1 - 2 m so với mực nước biển, cung cấp 55% sản lượng gạo trong đó xuất khẩu 90%, cung cấp 60% lượng thủy sản và 70% lượng trái cây cho cả nước.

Trong khi đó, các hiện tượng thời tiết cực đoan như: hạn hán, lũ lụt, xâm nhập mặn, nước biển dâng… đang không ngừng gia tăng tại khu vực ĐBSCL.

Đặc biệt, việc phát triển mạng lưới đường bộ, đường cao tốc tạo các con đê, bờ bao… có nguy cơ làm giảm không gian chứa lũ, thoát lũ, tăng nguy cơ ngập, lụt.

Số liệu quan trắc của Bộ TN&MT ở vùng ĐBSCL trong hơn 10 năm gần đây cho thấy, tốc độ sụt lún đất trung bình là 0,96 cm/năm, nhanh hơn gấp 3 lần so với mực nước biển dâng chỉ 0,35 cm/năm.

Tuyến cao tốc Cần Thơ (lún bình quân là 1,75 cm/năm) đi Cà Mau (lún bình quân là 3cm /năm), theo kết quả phân tích trong 5 năm 2006 - 2010 của Laura E. Erban và cộng sự.

Rất khó kiểm soát thời gian tắt lún và phải bù lún trong giai đoạn khai thác, cứ 10 năm thì lún từ 10 - 30 cm, chi phí bù lún sẽ rất tốn kém và phải bảo đảm an toàn giao thông.

2. Một số khó khăn hiện nay trong xây dựng đường cao tốc

2.1. Chưa có các phương án tối ưu cho công trình

Công tác thiết kế chưa được tối ưu về cao độ đường đỏ, các giải pháp về vật liệu, kết cấu chưa được tối ưu, chưa áp dụng các giải pháp cấu kiện bê tông lắp ghép.

2.2. Thiếu nguồn vật liệu đắp nền

Mỏ vật liệu đất đắp không đủ đáp ứng yêu cầu, tư duy thiết kế “đường cấp cao vượt đường cấp thấp” và cống chui dân sinh quá nhiều.
Bên cạnh đó là những khó khăn trong công tác GPMB, diễn biến khó lường của thị trường VLXD, khó khăn trong tính toán xác định tổng mức đầu tư, không bảo đảm về thời gian xây dựng, tăng kinh phí, ảnh hưởng sinh kế của người dân trong vùng gặp khó khăn…

Hình 1.

3. Đề xuất, kiến nghị các giải pháp tháo gỡ khó khăn trong xây dựng mạng lưới đường cao tốc

3.1. Thay đổi tư duy thiết kế “đường cấp thấp vượt đường cấp cao”

Bảo đảm tính êm thuận trong khai thác, không bị hạn chế tĩnh không, bảo đảm cho nâng cấp mở rộng các tuyến đường dân sinh trong tương lai, không bị ngập úng như các hầm chui và giảm phạm vi đắp cho hầm chui và giảm được diện tích chiếm dụng mặt bằng tuyến.

3.2. Sự cần thiết của các giải pháp thiết kế tối ưu về kết cấu/vật liệu
Sự cần thiết khi xây dựng các đường cao tốc đặc biệt là khu vực ĐBSCL phải bảo đảm hài hòa giữa các yếu tố: Tính khả thi về kinh tế - kỹ thuật, bảo vệ môi trường tự nhiên, môi trường xã hội, bảo đảm phát triển bền vững, thích ứng với BĐKH. Ưu điểm của giải pháp thiết kế tối ưu sử dụng bê tông cường độ cao/bê tông cường độ siêu cao là: Vùng ĐBSCL có cao độ nền tự nhiên 0,5 - 1.0 trên nền đất yếu có chiều dầy từ 30 - 60 cm, đang bị lún sụt trầm trọng, dễ bị xói mòn, giải pháp cầu cạn sẽ kiểm soát được vấn đề này.

Cầu cạn không chia cắt môi trường xã hội và sản xuất nông nghiệp thủy sản; Không bị ảnh hưởng do thiếu hụt nguồn vật liệu đắp; Giảm chiều cao dầm, giảm chiều cao đất đắp đường đầu cầu; Giảm tải trọng kết cấu nhịp, giảm kích thước móng mố trụ cầu; Vượt nhịp lớn, giảm số lượng trụ; Giảm chi phí xây dựng cho tổng thể công trình so với bê tông thường, dễ kiểm soát chi phí; Tuổi thọ cao, bảo vệ chống ăn mòn tốt. (Hình 1)

4. Giải pháp cầu cạn cho phát triển bền vững hệ thống hạ tầng giao thông Việt Nam tại vùng ĐBSCL

4.1. Giải pháp cầu cạn sử dụng bê tông cường độ cao (HSC)

Ưu điểm của bê tông đường độ cao (HSC) đến bê tông cường độ siêu cao/bê tông siêu tính năng (UHPC): Cường độ chịu nén cao, khả năng chống thấm cao, khả năng chống ăn mòn rất tốt, giảm kích thước kết cấu, vượt nhịp lớn, giảm tĩnh tải và giảm kích thước nền móng; giảm nhiều CO2 do sử dụng ít vật liệu, giảm nhân lực và rút ngắn thời gian thi công; tăng tuổi thọ cho công trình, kết cấu thanh mảnh.

4.1.2. Giải pháp thiết kế cầu cạn dầm U bê tông cường độ cao DUL căng trước
Kết cấu dầm I vượt nhịp 20 - 30 m, dầm Super-T vượt nhịp 35 - 40 m. Khoảng cách các dầm Super-T chỉ 2,2 - 2,5 m làm tăng số lượng dầm trên mặt cắt ngang cầu, tăng tĩnh tải kết cấu phần trên, tăng chi phí và thời gian thi công kết cấu nhịp, kết cấu nền móng.

Giải pháp kết cấu tối ưu cho công trình cầu: Robert L. Reed đã thiết kế dầm U có khả năng chống uốn và chống xoắn rất tốt, kết hợp sử dụng bê tông cường độ cao và DUL, giảm số lượng dầm đáng kể trên mặt cắt ngang cầu. Khoảng cách giữa các dầm U lớn từ 3,5 - 5 m.
Sau khi sản xuất thử nghiệm, tổng hợp thời gian thi công, kết quả thử tải lần 1 và lần 2 cho ra đánh giá kết quả thiết kế so với kết quả thử tải:

Cấp tải trọng 2 dầm làm việc đàn hồi chưa có vết nứt; Cấp tải trọng 4, dầm xuất hiện vết nứt với độ mở rộng 0,15 mm, vết nứt khép lại khi dỡ tải; Cấp tải trọng 5, dầm xuất hiện vết nứt với độ mở rộng từ 0,25 - 0,3 m, vết nứt khép lại khi dỡ tải; Cấp tải trọng 7, dầm chỉ bị nứt chưa đạt đến trạng thái phá hoại hoàn toàn. Khi dỡ tải các vết nứt khép lại, chuyển vị dầm chuyển về 0.

So sánh mặt cắt ngang đường cao tốc hoàn chỉnh (mặt cắt ngang cầu rộng 24,25 m) sử dụng dầm U và Super T cho thấy: Kết cấu nhịp cầu dầm U bê tông cường độ cao kinh tế hơn dầm Super T từ 15 - 20%. Ngoài ra, dầm U còn giảm chiều cao kết cấu nhịp và giảm chiều cao đất đắp đường đầu cầu 0,35 m, giảm tải trọng tác dụng lên kết cấu móng mố, trụ cầu, giảm số lần lao lắp dầm.

Hình 2. Một số hình ảnh các công trình đã sử dụng dầm U bê tông cường độ cao DUL căng trước

So sánh mặt cắt ngang đường cao tốc giai đoạn 1 (mặt cắt ngang cầu rộng 17,5 m) sử dụng dầm U và Super T cho thấy, kết cấu nhịp cầu dầm U bê tông đường độ cao kinh tế hơn dầm Super T từ 12 - 15%. Ngoài ra, dầm U còn giảm chiều cao kết cấu nhịp và giảm chiều cao đất đắp đường đầu cầu 0,35 m, giảm tải trọng tác dụng lên kết cấu móng mố, trụ cầu, giảm số lần lao lắp dầm.

Sử dụng trụ kết cấu dạng ống nhòm gồm 2 cọc khoan nhồi đường kính 2,0 m với vùng địa chất yếu dầy từ 30 - 60 m. không sử dụng bệ cọc, số lượng cọc ít sẽ rút ngắn tiến độ thi công kết cấu móng mố trụ cầu. Tiết kiệm chi phí xây dựng móng, mố trụ cầu 13 - 17%. Tổng chi phí xây dựng cầu dầm U và trụ ống nhòm đã được triển khai 22 - 25 triệu đ/m2 cầu bảo đảm tính cạnh tranh cao. (Hình 2)

4.1.3. Giải pháp thiết kế cầu vượt dầm T ngược bê tông cường độ cao DUL căng trước

Dầm T ngược thiết kế tối ưu với chiều cao dầm thấp, vượt nhịp từ 15 - 35 m. Dầm T ngược phù hợp với xây dựng cầu vượt đường cao tốc dạng chữ U, chữ Z.

Hình 3. Dầm u bằng UHPC nhịp đơn 50m, khoảng cách dầm 4,5m so sánh tính kinh tế kỹ thuật với dầm Super T (40m)

4.2. Cầu cạn sử dụng bê tông cường độ siêu cao (UHPC) (Hình 3)

Bê tông cường độ siêu cao (UHPC) được tối ưu hóa về cấu trúc, có cường độ nén tối thiểu là 120 Mpa (mẫu trụ D x H = 100 x 200 mm), UHPC có các đặc tính cơ học và độ bền vượt xa bất kỳ loại bê tông thông thường nào.

Các đặc trưng cơ học yêu cầu của bê tông UHPC: Cường độ chịu nén lớn hơn hoặc bằng 120 Mpa; cường độ chịu kéo lớn hơn hoặc bằng 6 Mpa; cường độ chịu uốn lớn hơn hoặc bằng 15 Mpa và mô đun đàn hồi lớn hơn hoặc bằng 45 Gpa. (Hình 4)

Hình 4. So sánh dầm cùng khả năng chịu lực ứng với các loại vật liệu khác nhau.

5. Kiến nghị và đề xuất

Phương án cầu cao tốc đi trên cao là một phương án giải quyết cùng một lúc các thách thức địa hình thấp, nền đất yếu, thiếu cát xây dựng, ngập vì sụt lún, vì nước biển dâng, không cản trở thoát lũ, ít phá hỏng cảnh quan sinh thái, bảo đảm sinh kế cho người dân, đáp ứng các yêu cầu về đánh giá tác động môi trường…

Ưu điểm vượt trội của phương án cầu cạn so với phương án đắp nền: Giảm đáng kể diện tích chiếm dụng mặt bằng; bảo đảm thông thoáng, không chia cắt các khu vực sản xuất nông nghiệp, các cánh đồng mẫu lớn; không bị ảnh hưởng tiến độ xây dựng do thiếu vật liệu đắp nền, phải đắp chờ lún cố kết; phân bổ phù sa, trầm tích đồng đều cho cả vùng ĐBSCL, không ngăn thoát lũ, bồi tích; không chịu tác động bởi BĐKH, đặc biệt là lũ lụt và nước biển dâng ở vùng ĐBSCL, tuân thủ Điều 29 của Luật Bảo vệ môi trường và bảo đảm tính khả thi cho dự án.

Cầu cạn sử dụng các kết cấu định hình, kiểm soát được giá thành xây dựng; bảo đảm thông suốt trong quá trình khai thác, không bù lún, chi phí duy tu bảo trì thấp; phát triển ngành công nghiệp VLXD trình độ cao, giúp cắt giảm CO2; cầu cạn đã áp dụng thành công trong các dự án xây dựng đường cao tốc ở vùng ĐBSCL (Dự án TP.HCM - Trung Lương, TP.HCM - Long Thành - Dầu Giây).

Đánh giá một cách toàn diện về chi phí xây dựng khi xét đến các yếu tố thời gian chờ đợi tắt lún của nền đất đắp trên đất yếu, chi phí do khan hiếm vật liệu, trượt giá do thời gian kéo dài, chi phí cơ hội khi đưa công trình vào sớm vận hành, tiết kiệm khi sản xuất công nghiệp, vận chuyển, lắp ráp hàng loạt mô đun các phiến dầm… thì phương án cao tốc trên cao ưu việt hơn hẳn trên nền đất yếu.

Nhìn dưới góc độ chi phí - lợi ích vòng đời toàn bộ công trình, kiến nghị:

(1) Dầm U bê tông cường độ cao C70 khẩu độ nhịp 35 - 45 m: Dầm U được thiết kế bảo đảm an toàn; dầm U bê tông cường độ cao có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vượt trội so với dầm Super T; không phải đầu tư thiết bị thi công mới mà chỉ cần sử dụng thiết bị cẩu lắp dầm Super T; các dự án được triển khai từ năm 2017 đến nay đều bảo đảm độ tin cậy cao để ứng dụng rộng rãi; 1km 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.

Hình 5: Tổng hợp suất đầu tư (tỷ đồng/km) của các tuyến đường cao tốc đã xây dựng.

(2) Dầm U sử dụng bê tông UHPC 120 Mpa đã được xây dựng cho 250 cầu trên thế giới với chiều dài nhịp 50 - 100 m, tăng độ tin cậy trong khai thác hệ thống cao tốc; giảm chi phí GPMB; tăng tuổi thọ công trình lên 1,5 - 2 lần và giảm chi phí bảo trì xuống mức thấp nhất; dầm U sử dụng UHPC 120 Mpa rút ngắn được tiến độ thi công 40 - 50% thời gian. (Hình 5)

Tổng chi phí xây dựng cho 1 km cầu cạn đường cao tốc với mặt cắt ngang 4 làn xe (Bc=17,5m) dự kiến là 435 tỷ đ/km, đi trên mặt đất là 180 tỷ đ/km. Nếu xây dựng tuyến ở ĐBSCL với tỷ lệ tuyến đi cao/tuyến đi trên mặt đất là 60%/40% thì chi phí dầu tư xây dựng trung bình 1 km đường cao tốc là 333 tỷ đ/km; tỷ lệ 40%/60% thì chi phí đầu tư xây dựng trung bình 1 km đường cao tốc là 282 tỷ đ/km.

Tổng chi phí xây dựng cho 1 km cầu cạn đường cao tốc với mặt cắt ngang hoàn chỉnh (Bc=24,25m) dự kiến là 606 tỷ đ/km, đi trên mặt đất là 220 tỷ đ/km. Nếu xây dựng tuyến ở vùng ĐBSCL với tỷ lệ tuyến đi cao/tuyến đi trên mặt đất là 60%/40% thì chi phí đầu tư xây dựng trung bình 1 km đường cao tốc là 452 tỷ đ/km; tỷ lệ 40%/60% thì chi phí đầu tư xây dựng trung bình 1 km đường cao tốc là 374 tỷ đ/km.

Đánh giá chung, với phương án đề xuất sử dụng cầu cạn kết hợp với thiết kế tối ưu không sử dụng hầm chui dân sinh thì suất đầu tư xây dựng 1 km đường cao tốc ở vùng ĐBSCL đều nằm trong suất đầu tư của một số dự án đã hoàn thành và hoàn thành mang tính khả thi vì lợi ích lâu dài, bền vững cho dự án.

*ThS Nguyễn Trọng Nghĩa,

 **TS Trần Bá Việt,

***PGS TS Nguyễn Thanh Sang

 *Giám đốc Công ty CP Tư vấn Synectics, **Phó chủ tịch Hội Bê tông Việt Nam, ***Trường ĐH Giao thông vận tải