Thiết kế cầu Cẩm Lĩnh: Sơ bộ & kỹ thuật

Công trình cầu nằm cách trung tâm thị xã 3km, dân cư sinh sống tăng nhiều trong vài năm gần đây, mật độ dân số tương đối cao và phân bố đồng đều. Dân cư đa dạng nghề nghiệp, bao gồm buôn bán, kinh doanh dịch vụ du lịch, nhưng chủ yếu vẫn là công nghiệp nặng và công nghiệp hóa dầu. Cầu cũ qua sông Cẩm Lĩnh đã xuống cấp nghiêm trọng do tác động của môi trường, không đáp ứng được lưu lượng xe cộ ngày càng tăng. Tuyến đường hai bên cầu đã được nâng cấp, nhưng lưu lượng xe qua cầu vẫn bị hạn chế đáng kể do cầu cũ yếu kém. Cầu Cẩm Lĩnh nằm trên tuyến đường huyết mạch nối trung tâm thị xã với một vùng kinh tế tiềm năng của tỉnh Thanh Hóa, là cửa ngõ quan trọng kết nối các trung tâm kinh tế, chính trị. Khu vực xây dựng cầu là vùng đồng bằng, bờ sông rộng và bằng phẳng, dân cư đông đúc. Cầu nối giữa Quốc lộ 1A và trung tâm thị xã Cẩm Lĩnh, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế, văn hóa - chính trị của vùng. Do đó, việc xây dựng cầu mới là hết sức cần thiết để đáp ứng nhu cầu phát triển.

Về kinh tế, cầu Cẩm Lĩnh đóng vai trò quan trọng trong vận tải hàng hóa, nguyên vật liệu giữa hai khu vực. Đặc biệt khi cảng biển được mở rộng, cầu sẽ là tuyến vận chuyển chính từ cảng đến các vùng khác trong tỉnh và toàn quốc. Theo quy hoạch tổng thể phát triển của tỉnh và nhu cầu vận tải ngày càng tăng qua sông Cẩm Lĩnh, việc xây dựng cầu mới là cần thiết. Cầu mới sẽ đáp ứng nhu cầu giao thông ngày càng cao, tạo điều kiện thuận lợi cho các ngành kinh tế phát triển, đặc biệt là du lịch. Khu vực xây dựng cầu có khí hậu nhiệt đới gió mùa, thời tiết chia rõ rệt theo mùa, lượng mưa tập trung từ tháng 9 đến tháng 1 năm sau. Khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa Đông Bắc vào các tháng mùa mưa, độ ẩm cao do gần cửa biển. Địa chất khu vực có lớp đá Granite ít nứt nẻ, rắn chắc, thích hợp sử dụng móng cọc khoan nhồi ma sát và chống vào lớp đá này. Sự phát triển kinh tế, đời sống người dân được cải thiện, nhu cầu về đời sống tinh thần ngày càng cao đòi hỏi việc xây dựng cầu phải đảm bảo tính thẩm mỹ, phù hợp với xu hướng mới, thúc đẩy du lịch và giao lưu kinh tế - văn hoá.

Đề án đưa ra giải pháp kết cấu thượng bộ cầu sử dụng cầu dầm thép với nhịp lớn, kết cấu liên tục. Giải pháp này nhằm mục đích tạo mỹ quan cho công trình và giảm thiểu số lượng trụ cầu, tối ưu hóa chi phí và hiệu quả thi công. Song song đó, đề án cũng trình bày giải pháp kết cấu ƯST (Composite Structure) đơn giản hơn để so sánh và lựa chọn phương án tối ưu. Các nguyên tắc thiết kế bao gồm: đảm bảo tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật đã được duyệt; kết cấu phù hợp với năng lực và thiết bị của các đơn vị thi công; ưu tiên sử dụng công nghệ mới, tiên tiến để nâng cao chất lượng và tính thẩm mỹ của công trình. Cụ thể, chân đế lan can, tay vịn và dải phân cách sử dụng bê tông cốt thép (BTCT), phần trên của lan can tay vịn làm bằng ống thép tráng kẽm. Gối cầu sử dụng gối cao su cốt bản thép, và bố trí các lỗ thoát nước đường kính 100mm bằng ống nhựa PVC. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp thi công đều hướng đến sự tối ưu về chi phí, thời gian và hiệu quả.

Sơ đồ cầu gồm 5 nhịp, mỗi nhịp dài 35m. Kết cấu nhịp sử dụng dầm đơn giản BTCT ƯST, được thi công theo phương pháp lao dầm, bán lắp ghép. Tương tự như kết cấu thượng bộ, chân đế lan can, tay vịn và dải phân cách sử dụng BTCT, phần trên của lan can tay vịn làm bằng ống thép tráng kẽm để đảm bảo tính thẩm mỹ. Bản táp được lựa chọn với bề rộng 300mm và chiều dày 20mm. Do đặc điểm của dầm liên hợp, bản mặt cầu sẽ cùng tham gia chịu nén với biên trên của dầm thép, cho phép giảm kích thước dầm thép đến mức tối thiểu. Tuy nhiên, kích thước dầm thép vẫn phải đảm bảo điều kiện ổn định khi chịu nén. Sự lựa chọn này nhắm đến việc tối ưu hóa vật liệu và giảm thiểu trọng lượng công trình, đồng thời đảm bảo độ bền và an toàn cho cầu.

Vật liệu đá được khai thác tại mỏ gần khu vực xây dựng cầu, vận chuyển bằng đường bộ. Đá đảm bảo cường độ và kích cỡ cần thiết. Cát xây dựng cũng được khai thác gần đó, đảm bảo độ sạch, cường độ và số lượng. Thép xây dựng sử dụng các loại thép trong nước như thép Thái Nguyên, hoặc thép liên doanh như thép Việt - Nhật, Việt - Úc, được lấy từ các đại lý lớn ở khu vực lân cận. Các đội thi công cầu được tổ chức hoàn chỉnh và đồng bộ, cán bộ có trình độ, công nhân có tay nghề cao và ý thức trách nhiệm. Máy móc thiết bị thi công được trang bị tương đối đầy đủ. Tình hình an ninh trật tự địa phương thuận lợi cho thi công, đảm bảo tiến độ. Sự sẵn có của vật liệu và sự chuẩn bị đầy đủ về nhân lực, máy móc giúp đảm bảo tiến độ và chất lượng dự án.

Thi công kết cấu nhịp cầu sử dụng phương pháp lao dầm trên giàn mút thừa. Phương pháp này có ưu điểm là công nghệ quen thuộc, đơn giản, ván khuôn sử dụng nhiều lần, không ảnh hưởng đến giao thông đường thủy và ít phụ thuộc vào điều kiện thủy văn. Thời gian thi công nhanh, ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu. Tuy nhiên, cần xem xét kỹ sự ổn định của giàn mút thừa và công tác sàng ngang dầm. Các bước thi công bao gồm: thi công khối K0 trên đỉnh các trụ (tập kết vật tư, lắp dựng giàn giáo, dự ứng lực cáp, lắp đặt ván khuôn, cốt thép, đổ bê tông, cố định khối K0 và thân trụ); và hợp long nhịp biên (di chuyển xe đúc, định vị, cân chỉnh dầm, dựng thanh chống tạm, căng thanh DƯL tạm thời, căng kéo cốt thép, bơm vữa ống ghen). Phương pháp này ưu tiên sự đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả, phù hợp với điều kiện địa hình và thời tiết.

Do điều kiện địa chất khu vực có lớp trên là cát hạt nhỏ, lớp thứ hai là cát hạt trung, lớp thứ ba là lớp cuội sỏi dày và có nước ngầm, phương pháp khoan tạo lỗ dùng ống vách được lựa chọn để thi công cọc khoan nhồi. Trình tự thi công bao gồm: chuẩn bị mặt bằng bằng máy san, máy ủi; định vị và lắp đặt ống vách đảm bảo ổn định dưới tác dụng của lực thủy động; khoan lỗ bằng thiết bị phù hợp với điều kiện địa chất, thủy văn; đổ bê tông cọc với tốc độ chậm, giữ mũi ống dẫn luôn ngập trong bê tông; và nghiệm thu cọc khoan nhồi để kiểm tra chất lượng bê tông và sự tiếp xúc giữa bê tông và đất nền. Vật liệu như xi măng, cốt thép, phụ gia… phải có đầy đủ hướng dẫn sử dụng và chứng chỉ chất lượng. Các vật liệu khác như cát, đá, nước, bê tông phải có kết quả thí nghiệm đánh giá chất lượng trước khi sử dụng. Quá trình đào đất sử dụng máy xói hút đặt trên phao nổi, kết hợp đào thủ công để tránh phá vỡ kết cấu phía dưới. Đáy ống vách được hạ đến cao độ lớp cuội sỏi +1m, miệng ống vách trên mặt đất. Công tác này đòi hỏi sự chính xác cao về định vị và kỹ thuật thi công.

Phân tích tải trọng cầu tập trung vào việc xác định lực hãm và lực ma sát. Lực hãm được tính toán dựa trên 25% trọng lượng của các trục xe tải hoặc xe hai trục trên mỗi làn đường, được đặt trong tất cả các làn đường và coi như cùng một chiều. Lực này tác dụng theo chiều ngang, cách mặt đường 1800mm theo cả hai chiều dọc để gây ra hiệu ứng lực lớn nhất. Tất cả các làn đường được chất tải đồng thời và coi như cùng một chiều trong tương lai. Lực hãm xe được truyền từ kết cấu trên xuống trụ qua gối đỡ. Tỷ lệ truyền lực ngang xuống trụ phụ thuộc vào loại gối cầu và dạng liên kết. Do thiếu thông tin về tỷ lệ ảnh hưởng của lực ngang xuống trụ trong tài liệu tham khảo, nên tỷ lệ truyền được lấy bằng 100% trong tính toán. Lực ma sát chung gối cầu được xác định dựa trên giá trị cực đại của hệ số ma sát giữa các mặt trượt, cần xem xét tác động của độ ẩm và khả năng giảm phẩm chất hoặc nhiễm bẩn của mặt trượt. Trong các tổ hợp tải trọng, không thể lấy đồng thời tải trọng hãm và lực ma sát mà phải lấy giá trị lớn hơn. Tuy nhiên, ở trụ T2 có gối cố định, lực hãm truyền xuống trụ theo tỷ lệ 100%, nên lực ma sát được coi là không đáng kể trong tính toán.

Tính toán kết cấu trụ cầu bao gồm việc xác định tiết diện trụ và lượng cốt thép cần thiết. Tiết diện trụ được chọn có dạng tròn với bán kính 0.6m, sau đó được quy đổi về hình chữ nhật để thuận tiện cho việc tính toán theo lý thuyết. Diện tích cốt thép theo hai cạnh của tiết diện quy đổi giữ nguyên. Lượng cốt thép trong trụ được tính toán dựa trên tiêu chuẩn ACI, cho rằng vùng hiệu quả nhất của tỉ lệ cốt thép (t) là từ 1-2%. Tuy nhiên, do trụ cầu chịu tải trọng và mô men uốn lớn, nên lượng cốt thép được giả thiết lớn hơn để đảm bảo an toàn. Lớp bảo vệ cốt thép từ mép đến tim cốt thép chịu lực là 100mm. Khoảng cách từ mép tiết diện đến tim cốt thép chịu lực là 25 khoảng cách, mỗi khoảng cách 100mm. Các kết cấu không tròn chịu uốn hai chiều và chịu nén được tính toán theo các biểu thức gần đúng. Việc tính toán này đảm bảo sự an toàn và bền vững của kết cấu trụ cầu dưới tác động của tải trọng và các yếu tố môi trường.

Phần này của đồ án tiến hành so sánh các phương án thiết kế cầu, đánh giá ưu điểm và nhược điểm của từng phương án về nhiều mặt: kỹ thuật, kinh tế, mỹ thuật và sự phù hợp với điều kiện thực tế. Việc lựa chọn phương án tối ưu được xem xét dựa trên nhiều yếu tố, bao gồm cả khả năng đáp ứng nhu cầu giao thông hiện tại và tương lai của khu vực, cũng như sự phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội và trình độ kỹ thuật hiện có. Mục tiêu là tìm ra giải pháp tối ưu nhất, vừa đảm bảo tính khả thi về mặt kỹ thuật, vừa hiệu quả về kinh tế, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về thẩm mỹ và sự hài hòa với cảnh quan môi trường xung quanh. Việc so sánh này giúp đưa ra quyết định cuối cùng về phương án thiết kế được lựa chọn cho công trình cầu Cẩm Lĩnh.

Kết luận khẳng định rằng, xét đến xu thế phát triển của tỉnh Thanh Hóa, với nền kinh tế đang trên đà tăng trưởng, đời sống người dân được cải thiện và nhu cầu về đời sống tinh thần ngày càng cao, việc xây dựng cầu cần phải có tính mỹ thuật cao. Tuy nhiên, với mức sống hiện tại của người dân và trình độ kỹ thuật hiện có, việc xây dựng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) được đánh giá là hợp lý hơn cả. Phương án này được lựa chọn vì tính kinh tế, khả năng thi công và độ bền cao, phù hợp với điều kiện thực tế. Cầu Cẩm Lĩnh sau khi hoàn thành sẽ đóng góp tích cực vào sự phát triển kinh tế - xã hội, du lịch của địa phương và thúc đẩy giao lưu kinh tế - văn hóa giữa các vùng. Đồ án nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và mỹ thuật trong thiết kế và thi công công trình cầu.