Ứng dụng bê tông HPC xây dựng đường cao tốc cho phát triển bền vững Đồng bằng sông Cửu Long

1. Tổng quan về ứng dụng bê tông cường độ cao
 

        Bê tông cường độ cao ở Việt Nam hiện nay được coi là vật liệu mới. Tuy nhiên, trên thế giới bê tông cường độ cao (tên tiếng anh High-Strength Concrete/High Performance Concrete, viết tắt là Bê tông HPC) đã được phát triển trên 70 năm bắt đầu ở Mỹ. Năm 1950, bê tông có cường độ chịu nén danh định f’c = 34 Mpa được coi là bê tông cường độ cao. Đến năm 1960 thì bê tông cường độ cao được định nghĩa là bê tông có cường độ f’c = 41 - 52 Mpa được coi là bê tông HPC.
 

        Ngày nay, bê tông cường độ cao được định nghĩa là bê tông có cường độ nén danh định từ 50 - 55 Mpa trở lên (cường độ nén mẫu hình trụ DxH = 150x300 mm ở 28 ngày tuổi trong điều kiện tiêu chuẩn), cụ thể:

• Tại Việt Nam: Tiêu chuẩn TCVN 10306:2014 quy định tê tông cường độ cao là bê tông có cường độ chịu nén danh định f’c ≥ 55 Mpa (C55).
• Hiệp hội Bê tông Hoa Kỳ quy định bê tông cường độ cao với f’c = 55 - 100 Mpa.
• Tiêu chuẩn châu Âu định nghĩa bê tông cường độ cao từ 50 Mpa (C50/60).
   

                                       
                         
                                   Hình 1: Dải cường độ của các loại bê tông phổ biến hiện nay.       

        Bê tông HPC đã được ứng dụng phổ biến cho các cấu kiện chịu lực lớn (nhà cao tầng, dầm cầu, thân trụ, tháp cầu dây văng…), kết cấu vượt nhịp lớn… với những ưu điểm vượt trội:

• Cường độ chịu lực cao hơn nhiều so với bê tông thường, giảm kích thước kết cấu, vượt nhịp lớn, giảm tĩnh tải và giảm kích thước nền móng.
• Khả năng chống thấm cao, chống ăn mòn rất tốt.
• Giảm phát thải CO₂ do sử dụng ít vật liệu, giảm nhân lực và rút ngắn thời gian thi công.
   

        Ở Việt nam, Công ty CP bê tông 620 Châu Thới (Beton6) là đơn vị tiên phong nhận chuyển giao công nghệ và sản xuất dầm Super T bê tông cường độ cao C50 đầu tiên tại Việt Nam cho dự án cầu Mỹ Thuận năm 1997 với chiều dài nhịp 40 m. Đây là một trong các dự án cầu sử dụng vốn ODA của chính phủ Australia đưa vào khai thác năm 2000. Sau đó dầm Super-T được áp dụng phổ biến trong xây dựng các cầu Tân Đệ, Quý Cao, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, dự án đường cao tốc TP.HCM - Trung Lương...
 

        Bên cạnh các ưu điểm nổi bật về khả năng vượt nhịp, tính kinh tế - kỹ thuật, sau hơn 15 năm ứng dụng tại Việt Nam, dầm Super-T đã bộc lộ một số nhược điểm như: Nứt dầm tại vị trí nách dầm, vị trí cắt khấc đầu dầm, các vết nứt này hiện nay vẫn chưa có giải pháp thiết kế triệt để, mặc dù Viện Khoa học công nghệ Giao thông vận tải đã có một số kết quả nghiên cứu cải tiến thiết kế cho vị trí cục bộ này.
 

        Do đó, việc áp dụng dầm Super-T cho các dự án vùng xâm thực là khó đảm bảo yêu cầu tuổi thọ thiết kế. Với chiều dày sườn dầm mỏng chỉ 0,1 m, bề rộng đáy dầm chỉ 0,7 m dẫn đến khả năng chịu lực của dầm bị hạn chế, khoảng cách giữa các dầm chỉ khoảng 2,2 - 2,4 m sẽ cần số lượng dầm trên mặt cắt ngang cầu nhiều tăng tĩnh tải, tăng chi phí và thời gian thi công kết cấu nhịp và kết cấu móng, mố, trụ cầu.
 

        Việc nghiên cứu áp dụng bê tông HPC khắc phục các nhược điểm, đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật hơn so với dầm Super-T là rất cần thiết và cấp bách. Kết quả nghiên cứu thiết kế của nhóm chuyên gia tư vấn (Công ty CP Tư vấn Synectics và Viện Kết cấu bê tông - Trường đại học TU Graz) đã đưa vào sử dụng 2 loại dầm bê tông HPC đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật so với các loại dầm đang sử dụng phổ biến hiện nay tại Việt Nam (Dầm Super-T, dầm I, dầm T, dầm bản rỗng…), bao gồm:

• Dầm T ngược bê tông cường độ cao (C50 - C80), áp dụng cho các cầu vượt trong đô thị, cầu trong khu vực địa chất yếu với chiều cao kiến trúc thấp, tải trọng nhẹ.
• Dầm U bê tông cường độ cao (C60 - C70) áp dụng cho các cầu cạn trong đô thị, cầu trên các QL, đường cao tốc… với chiều dài vượt nhịp lớn, khoảng cách giữa các dầm lớn từ  3,5 - 4,0 m.
   

2. Ứng dụng dầm T ngược bê tông HPC

        Dầm T ngược (Inverted Tee, được ký hiệu là IT) được nghiên cứu phát triển bởi trường đại học Nebraska - Lincoln năm 1996 và đã được ứng dụng phổ biến tại Mỹ, dầm T ngược là giải pháp kết cấu hiệu quả, xây dựng nhanh chóng và có tính cạnh tranh về mặt kinh tế có chiều dài nhịp đến 26 m chỉ với chiều cao dầm 725 mm (tỷ lệ H/L lên đến 1/35) sử dụng bê tông C50.
 

        Hiện nay, dầm T ngược đã được ứng dụng rất phổ biến tại Mỹ, Canada và các quốc gia khác. Tại Việt Nam, dầm T ngược bắt đầu đưa vào ứng dụng từ năm 2009 trên các cầu đường Vành đai 4 tỉnh Bình Dương, sau đó được áp dụng phổ biến tại các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh miền Đông Nam Bộ, với những ưu điểm nổi bật sau:

• Tiết kiệm chi phí: Dầm T ngược có trọng lượng nhẹ nên dễ cẩu lắp và thi công nhanh (dầm T ngược 33 m có trọng lượng chỉ bằng 50% trọng lượng dầm I33 m).
• Chiều cao kiến trúc thấp: Tỷ lệ giữa chiều cao dầm và chiều dài dầm đạt đến 1/35, trong khi các dầm thông thường khác tỷ lệ này từ 1/20 - 1/25.
• Hiệu quả kết cấu: Dầm T ngược phù hợp cho các vị trí xây dựng cầu khó khăn về địa hình cho các thiết bị cẩu lắp lớn.
   

Hình 3: Thi công, lao lắp dầm T ngược  tại TP.HCM.

3. Ứng dụng dầm U bê tông HPC 

3.1. Đặc điểm kỹ thuật của dầm U bê tông HPC 

        Dầm U DƯL được Sở Giao thông vận tải bang Texas của Mỹ (TxDOT), tác giả Robert L. Reed, bắt đầu phát triển vào những năm 80 của thế kỷ 20. Năm 1993, dầm U DƯL lần đầu tiên được sử dụng ở Houston. Hai loại mặt cắt cầu dầm U được phát triền là U40 (chiều dài 33 m) và U54 (chiều dài 37 m).

Hình 4: Ý tưởng thiết kế dầm U của Robert L. Reed.
       

Hiện nay, dầm U đã được ứng dụng rất phổ biến tại Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, châu Âu, Canada, với những ưu điểm nổi bật sau:

• Tiết kiệm chi phí: Dầm U tiết kiệm chi phí xây dựng ngay cả so với dầm Super-T cùng khẩu độ do giảm được số lượng dầm, giảm được chiều cao kiến trúc, thi công nhanh hơn.
• An toàn trong thi công: Dầm có mặt đáy rộng dạng dầm hộp với ít góc cạnh, có khả năng chịu xoắn tốt, ổn định trong thi công.
• Hiệu quả kết cấu: Dầm U có chiều cao kiến trúc thấp so với các dầm khác cùng khẩu độ nhịp do đó giảm được cao độ đường đỏ và giảm chiều dài cầu. Về mặt chịu lực, dầm U là 1 dạng dầm hộp kín bê tông - bê tông liên hợp theo 2 giai đoạn nên có khả năng chống uốn và chống xoắn rất tốt. Khả năng chịu lực của dầm U lớn hơn nhiều so với dầm I và dầm Super-T cùng khẩu độ (khả năng chịu uốn của dầm U chiều dài 38 m là 290 MN.m, khả năng chịu uốn của dầm Super-T chiều dài 38 m là 164 MN.m). Do đó, có thể tăng khoảng cách dầm (3,5 - 4,0 m) để giảm số lượng dầm đáng kể trên mặt cắt ngang cầu.
   

Hình 6: Sản xuất 02 dầm U38 bê tông HPC thử nghiệm tại nhà máy Beton6.

3.2. So sánh đánh giá dầm U38 với dầm Super-T

        Chiều cao dầm U38 thấp hơn dầm Super-T đến 0,35 m nhưng khả năng chịu lực của dầm U38 xấp xỉ 1,76 lần dầm Super-T cùng khẩu độ. Kết quả tính toán, thiết kế cho thấy với khoảng cách dầm 3,5 m, khẩu độ dầm 38 m bằng dầm Super-T, mặt cắt ngang cầu giảm được số lượng dầm đáng kể so với dầm Super-T. Chiều dày sườn dầm U38 lớn hơn dầm Super-T nên ổn định chống xoắn trong quá trình cẩu lắp dầm U38 tốt hơn. Với việc giảm số lượng dầm ngoài việc đảm bảo tính kinh tế còn giảm tải trọng tác dụng lên kết cấu móng sẽ giảm số lượng cọc hoặc chiều sâu cọc trong móng còn rút ngắn được tiến độ thi công cầu (Bảng 3).
 

        Với giá thành chế tạo dầm U38 dự kiến bằng 1,20 lần dầm Super-T thì hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho xây dựng 1 nhịp cầu của dầm U38 vượt trội hơn so với dầm Super-T, có thể tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng kết cấu nhịp từ 14 - 20%. Ngoài ra, dầm U38 được thiết kế kéo các bó cáp về đầu dầm nên khắc phục nhược điểm bị nứt tại vị trí cắt khấc đầu dầm của dầm Super-T. Do đó, hoàn toàn có thể áp dụng cho vùng bị xâm thực.

Bảng 3: So sánh các đặc trưng kỹ thuật của dầm U DƯL với dầm Super-T.

        Dầm U được triển khai nghiên cứu thiết kế, sản xuất và ứng dụng tại Việt Nam từ năm 2017. Kết quả ứng dụng dầm U tại các dự án: Cầu cảng quốc tế Hòn Gai, cầu bao biển núi Bài Thơ, cầu trên tuyến nối cảng Vạn Ninh (tỉnh Quảng Ninh); cầu đập Trà Khúc (tỉnh Quảng Ngãi), cầu Cầu Đò (tỉnh Bình Dương), cầu Sport City (TP.HCM)... Như vậy, dầm U bê tông HPC hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, đảm bảo đủ độ tin cậy về kiểm chứng chất lượng qua các dự án đã áp dụng có thể triển khai áp dụng cho các công trình cầu đường bộ trên phạm vi cả nước.

4.Kết luận và kiến nghị

        Phương án 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, ngập vì nước biển dâng, không cản trở thoát lũ, ít phá hỏng cảnh quan sinh thái, đảm bảo sinh kế cho người dân, đáp ứng các yêu cầu về đánh giá tác động môi trường, không phải bù lún trong suốt vòng đời khai thác công trình…
 

        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 đắp trên đất yếu, chi phí do khăn 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… 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:

• Dầm U được thiết kế đảm bảo an toàn, có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vượt trội so với dầm Super T, không phải đầu tư thiết bị thi công mới, chỉ sử dụng thiết bị cẩu lắp dầm Super T. Đã được áp dụng từ năm 2016 đến nay đều đảm bảo độ tin cậy cao để ứng dụng rộng rãi.
• 1 km 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.
• Tổng chi phí xây dựng cho 1 km cầu cạn đường cao tốc với mặt cắt ngang 4 làn xe (Bc = 17,50 m) dự kiến là 350 - 420 tỷ đồng/km, với mặt cắt ngang hoàn chỉnh (Bc = 24,25 m) dự kiến là 485 - 580 tỷ đồng/km.
   

        (2) Dầm T ngược bê tông cường độ cao:

• Dầm T ngược đã được ứng dụng tại Việt Nam từ năm 2009, đảm bao an toàn và độ tin cậy cao. Chi phí xây dựng thấp, hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cạnh tranh so với các giải pháp kết cấu khác cùng chiều dài.
• Chiều cao kiến trúc thấp, trọng lượng dầm nhẹ nên dễ cẩu lắp và thi công nhanh, thích hợp cho các vị trí xây dựng cầu khó khăn về địa hình cho các thiết bị cẩu lắp lớn đặc biệt là áp dụng cho các công trình cầu vượt thay thế hầm chui dân sinh trên mạng lưới cao tốc.
• Kết quả ứng dụng dầm T ngược từ năm 2009 đến nay cho thấy chi phí xây dựng trước thuế của cầu dầm T ngược chỉ khoảng 6 - 8 triệu đồng/m² kết cấu nhịp, 14,5 -18,5 triệu đồng/m² cầu, hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, đảm bảo đủ độ tin cậy về kiểm chứng chất lượng qua các dự án.
   

Tổng hợp: Admin