Cầu cạn bê tông đúc sẵn là xu hướng tổ chức thi công theo hướng công nghiệp hóa trong các dự án hạ tầng quy mô lớn.
Sau nhiều năm được áp dụng trong một số công trình cầu và đường sắt đô thị, bê tông đúc sẵn đang dần khẳng định tính phù hợp đối với các dự án hạ tầng quy mô lớn tại Việt Nam, đặc biệt trong các công trình có tính lặp lại cao và điều kiện thi công theo tuyến.
Trụ bê tông lắp ghép và điều kiện thi công theo dây chuyền
Theo các phân tích kỹ thuật, có thể ứng dụng trụ bê tông đúc sẵn lắp ghép thay cho trụ bê tông cốt thép đổ tại chỗ. Thân trụ được chia thành nhiều đoạn đúc sẵn tại nhà máy, sau đó vận chuyển đến công trường để lắp dựng bằng thiết bị cẩu. Các đoạn trụ được liên kết bằng vữa và các mối nối ướt nhằm bảo đảm tính toàn khối và khả năng chịu lực của kết cấu.
Ông Lê Thanh Liêm - Trợ lý Chủ tịch HĐQT, Tổng công ty Xây dựng số 1 (CC1) cho biết, công nghệ này có thể triển khai theo hai phương án thiết bị. Với các dự án có chiều dài thi công ngắn, dưới khoảng 15 km, việc lắp dựng có thể thực hiện bằng cẩu thông thường, cho phép thiết bị di chuyển linh hoạt dọc tuyến. Với các tuyến dài hơn, có thể sử dụng hệ dầm lao lắp (launching gantry) để thi công đồng thời cả trụ và dầm cầu, với tốc độ lắp dựng có thể đạt khoảng 5 ngày cho mỗi nhịp cầu.
Lắp dựng dầm cầu bê tông đúc sẵn bằng cẩu kết hợp hệ dầm lao lắp (launching gantry), cho phép thi công theo dây chuyền trên các tuyến cầu cạn dài.
Một ví dụ được nghiên cứu tại Dự án Vành đai 4 - Vùng Thủ đô Hà Nội, có tổng chiều dài khoảng 113,5 km, trong đó khoảng 80 km là cầu cạn. Các phân tích kỹ thuật cho thấy, nếu áp dụng công nghệ trụ lắp ghép, dự án có thể tiết kiệm khoảng 5% chi phí và rút ngắn tiến độ tới khoảng 50% so với phương án trụ bê tông đổ tại chỗ.
Những kết quả bước đầu này cho thấy tiềm năng của phương thức thi công lắp ghép trong các dự án cầu cạn dài, nơi số lượng trụ lặp lại lớn và điều kiện thi công tương đối đồng nhất.
Tuy nhiên, hiệu quả của công nghệ này không mang tính phổ quát, mà phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện tổ chức thi công và đặc điểm dự án. Ông Lê Thanh Liêm cho biết, để áp dụng hiệu quả công nghệ trụ bê tông đúc sẵn, một số điều kiện kỹ thuật cần được bảo đảm. Trước hết là tính lặp lại của kết cấu, theo các nghiên cứu kỹ thuật, đối với các dự án đường bộ, số lượng trụ lặp nên đạt khoảng 20-40 trụ để việc đầu tư khuôn và dây chuyền sản xuất cấu kiện trở nên hiệu quả. Trong khi đó, ở các dự án đường sắt đô thị và đường sắt tốc độ cao, với đặc trưng cầu cạn kéo dài hàng chục km, số lượng trụ lặp có thể lên tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn cấu kiện cùng dạng. Đây chính là điều kiện thuận lợi để tổ chức sản xuất hàng loạt trong nhà máy, qua đó phát huy đầy đủ lợi thế của công nghệ đúc sẵn về năng suất, tiến độ và kiểm soát chất lượng.
Khối lượng cấu kiện cũng là yếu tố quan trọng. Các đoạn trụ có khối lượng 10-50 tấn mỗi đoạn được xem là thuận lợi cho vận chuyển và lắp dựng. Nếu cấu kiện lớn hơn, thường phải chia thành nhiều đoạn nhỏ để bảo đảm khả năng vận chuyển và lắp đặt tại công trường.
Cấu tạo trụ và dầm cầu bê tông đúc sẵn dạng chữ T, phù hợp với các tuyến cầu cạn có tính lặp lại cao.
Bên cạnh đó, yêu cầu về dung sai (giới hạn sai số cho phép) trong thi công trụ lắp ghép là yếu tố quyết định. Các đoạn trụ đúc sẵn khi lắp dựng phải bảo đảm độ thẳng đứng và đồng trục với sai số rất nhỏ, thường được kiểm soát thông qua hệ thống thiết bị định vị (jig) và các dụng cụ đo chuyên dụng. Đối với các công trình có yêu cầu cao như đường sắt tốc độ cao, nơi sai lệch hình học có thể ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn vận hành, tiêu chuẩn dung sai được quy định nghiêm ngặt hơn đáng kể so với các dự án cầu đường thông thường.
Giải pháp kết cấu lắp ghép quy mô lớn cho cầu cạn và nền đất yếu
Từ trụ lắp ghép, các nghiên cứu gần đây đang mở rộng sang các dạng kết cấu ở cấp độ hệ, thay vì chỉ dừng ở cấu kiện đơn lẻ.
Theo một số nghiên cứu, hướng nghiên cứu cầu khung liên tục lắp ghép từ các đoạn đúc sẵn cho thấy, các đoạn kết cấu được đúc nối tiếp nhau trong nhà máy, mỗi đoạn được chế tạo sát với đoạn trước nhằm bảo đảm sự thẳng hàng và độ chính xác cao của toàn bộ hệ kết cấu.
Ưu điểm của phương án này là cho phép sản xuất liên tục với tốc độ cao, đồng thời giảm phụ thuộc vào hệ thống ván khuôn và giàn giáo tại công trường. Môi trường sản xuất trong nhà máy cũng giúp kiểm soát tốt hơn cường độ bê tông và quá trình dưỡng hộ, từ đó nâng cao chất lượng công trình.
Một ví dụ đang được nghiên cứu là Dự án cầu Cát Lái nối TP.HCM và Đồng Nai. Cây cầu có tổng chiều dài khoảng 3,43 km, trong đó phần cầu dẫn khoảng 2,63 km. Các phương án thiết kế đang xem xét khả năng áp dụng kết cấu cầu khung liền khối lắp ghép cho các đoạn đường dẫn, nhằm đơn giản hóa hệ kết cấu và giảm số lượng gối cầu cũng như khớp nối. Phương án này được kỳ vọng giúp nâng cao độ bền công trình và giảm chi phí bảo trì trong quá trình khai thác.
Mô hình cầu bản sàn trên nền cọc (pile-supported slab), thay thế nền đắp trong khu vực đất yếu.
Đáng chú ý trong nhóm giải pháp này là hướng nghiên cứu cầu bản sàn trên nền cọc (pile supported slab bridge), được xem là giải pháp thay thế cho nền đường đắp cao trong các khu vực đất yếu.
Theo mô hình này, bản bê tông đúc sẵn được đặt trực tiếp lên hệ cọc đóng xuống nền đất, tạo thành kết cấu thượng tầng cầu mà không cần mố và trụ cầu truyền thống. Nhịp cầu thông thường khoảng 9-12 m, với các cấu kiện được sản xuất trong nhà máy và lắp đặt nhanh tại công trường.
Ông Lữ Triều Dương - Công ty CP Đầu tư Phan Vũ cho biết, chi phí xây dựng của giải pháp này có thể giảm tới khoảng 50% so với cầu truyền thống, đồng thời hạn chế nhu cầu sử dụng vật liệu cát san lấp. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong bối cảnh nguồn cát xây dựng ngày càng khan hiếm và việc khai thác cát đang gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường sông và bờ biển.
Ngoài ra, kết cấu này cũng hoạt động hiệu quả trên nền đất yếu, giảm nguy cơ lún nền và phù hợp với nhiều khu vực đồng bằng thường xuyên ngập nước.
Cấu kiện đúc sẵn phục vụ thi công trong điều kiện khai thác
Một cấu kiện khác được khuyến nghị áp dụng là panel bản mặt cầu đúc sẵn. Các tấm panel được sản xuất trong nhà máy với chất lượng đồng đều, sau đó vận chuyển đến công trường để lắp đặt bằng cần cẩu.
Trong thực tế, các panel bản mặt cầu thường có khối lượng 5-25 tấn/tấm, với diện tích lặp lại tối thiểu khoảng 500-2.000 m² để đạt hiệu quả sản xuất. Phương án này đặc biệt phù hợp với các tuyến giao thông đang khai thác, nơi việc đóng đường kéo dài có thể gây ảnh hưởng lớn đến giao thông và hoạt động kinh tế - xã hội.
Việc lắp đặt panel đúc sẵn giúp giảm đáng kể khối lượng giàn giáo, hạn chế thi công trên cao và rút ngắn thời gian phong tỏa giao thông.
Thi công bản mặt cầu theo các phương thức lắp ghép và đổ tại chỗ trong thực tế.
Từ các định hướng nghiên cứu trên cho thấy, điểm khác biệt của các giải pháp này không nằm ở vật liệu, mà nằm ở cách tổ chức sản xuất và thi công theo hướng công nghiệp hóa. Bê tông đúc sẵn không chỉ là lựa chọn cấu kiện, mà đang chuyển dần thành phương thức tổ chức hệ kết cấu theo hướng công nghiệp hóa, bao gồm trụ, dầm, bản mặt cầu và thậm chí cả hệ cầu cạn hoàn chỉnh.
Trong bối cảnh Việt Nam đang triển khai nhiều dự án hạ tầng quy mô lớn như: đường cao tốc, đường sắt đô thị và đường sắt tốc độ cao, việc phát triển các hệ kết cấu lắp ghép có thể tạo ra bước chuyển quan trọng trong phương thức tổ chức xây dựng. Tuy nhiên, để công nghệ này được triển khai rộng rãi, bên cạnh các nghiên cứu kỹ thuật, vẫn cần hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn, định mức và cơ chế khuyến khích áp dụng trong thiết kế và thi công.