Thiết kế cầu vượt sông: Ninh Bình

Ninh Bình nằm ở cực Nam Đồng bằng sông Hồng, cách Hà Nội hơn 90km về phía Nam, trên tuyến giao thông huyết mạch Bắc – Nam. Vị trí địa lý thuận lợi này, kết hợp với quy mô hành chính nhỏ gọn (8 đơn vị hành chính chia thành 3 vùng: trung du miền núi, đồng bằng trũng trung tâm và đồng bằng ven biển), tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông và xây dựng. Sự đa dạng địa hình cũng mang lại những lợi thế riêng cho từng vùng, tạo điều kiện phát triển kinh tế bền vững. Việc xây dựng cầu tại Ninh Bình sẽ được hưởng lợi từ vị trí chiến lược này, kết nối dễ dàng với các trung tâm kinh tế lớn và thúc đẩy sự phát triển kinh tế của tỉnh.

Ninh Bình sở hữu nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú, tạo lợi thế cạnh tranh lớn trong sản xuất và kinh doanh vật liệu xây dựng. Đá vôi với trữ lượng hàng chục tỷ m³, đôlômit khoảng 2,3 tỷ tấn, đất sét, và than bùn phân bố rộng khắp tỉnh. Những nguồn tài nguyên này đáp ứng đầy đủ nhu cầu nguyên liệu cho các công trình xây dựng quy mô lớn, bao gồm cả việc xây dựng cầu. Sự sẵn có của các nguyên liệu này sẽ giảm chi phí vận chuyển và thời gian thi công, góp phần hoàn thành dự án cầu một cách hiệu quả và kinh tế. Việc khai thác và sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên này sẽ đóng góp tích cực vào sự phát triển bền vững của tỉnh.

Ninh Bình có hệ thống nước mặt dày đặc trải đều trên 3 vùng, với nhiều sông lớn như sông Đáy, sông Hoàng Long, sông Bến Đang… và các hồ Yên Quang, Đồng Thái… Điều này vừa tạo ra thách thức trong việc thiết kế và thi công cầu (như ảnh hưởng của mực nước), đồng thời cũng mang lại tiềm năng phát triển kinh tế biển với bờ biển dài trên 15km. Việc phát triển kinh tế biển, bao gồm nuôi trồng, đánh bắt thủy sản, công nghiệp đóng tàu, và vận tải biển, sẽ tạo ra động lực phát triển kinh tế của tỉnh, hỗ trợ cho dự án xây dựng cầu. Ngoài ra, nguồn nước khoáng ở Kênh Gà (Gia Viễn) và Cúc Phương (Nho Quan) cũng có tiềm năng lớn trong phát triển du lịch nghỉ dưỡng và kinh tế.

Ninh Bình có nhiều điểm du lịch nổi tiếng như Vườn quốc gia Cúc Phương, khu bảo tồn Vân Long, quần thể nhà thờ Phát Diệm, cố đô Hoa Lư, Tam Cốc – Bích Động… Những điểm đến này thu hút khách du lịch trong và ngoài nước, thúc đẩy phát triển kinh tế dịch vụ. Bên cạnh đó, hàng chục làng nghề truyền thống (chạm khắc đá, thêu ren, mây tre đan…) góp phần tạo thêm sản phẩm du lịch và tăng thu nhập cho người dân. Việc xây dựng cầu sẽ góp phần cải thiện kết nối giao thông đến các điểm du lịch, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho phát triển du lịch và nâng cao hiệu quả kinh tế của tỉnh. Hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt là cáp quang và internet, cũng đã được nâng cấp đáng kể, hỗ trợ cho sự phát triển này.

Bản thiết kế lựa chọn phương án sử dụng mè cầu chữ U đặt trên hệ thống cọc khoan nhồi. Lý do lựa chọn này dựa trên nhiều ưu điểm của mè chữ U, đặc biệt là khả năng tiết kiệm vật liệu khi chiều cao lớn và phù hợp với nhịp cầu có chiều dài bất kỳ. Đây là một giải pháp tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật, phù hợp với điều kiện địa hình và yêu cầu kỹ thuật của dự án cầu. Việc lựa chọn này cũng được xem xét dựa trên các yếu tố như tính thẩm mỹ, khả năng thi công, và khả năng chịu lực của kết cấu.

Thiết kế chi tiết bao gồm các thông số kỹ thuật cụ thể của mè cầu chữ U. Điều này bao gồm kích thước sơ bộ của mè cầu, thiết kế tiết diện dầm (hình hộp với chiều cao thay đổi theo quy luật parabol đảm bảo yêu cầu chịu lực và thẩm mỹ), chiều dày thành dầm, sườn dầm, bản nếp và bản đáy. Các thông số này được tính toán cẩn thận để đảm bảo sự ổn định và khả năng chịu tải của cầu. Việc tính toán khối lượng kết cấu nhịp cầu được thực hiện bằng cách chia dầm thành các đoạn nhỏ, tính diện tích tại vị trí đầu các nút, từ đó tính thể tích của các đoạn một cách tương đối chính xác. Mục tiêu là tối ưu hóa thiết kế để đảm bảo cả tính kinh tế và hiệu quả kỹ thuật.

Ngoài các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, việc lựa chọn phương án thiết kế cầu cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Vẻ đẹp mỹ quan của công trình có ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn. Tình hình thiết bị vật tư hiện có, bao gồm các công cụ, máy móc sử dụng trong xây dựng, cũng là yếu tố cần được cân nhắc. Nghiên cứu đánh giá ưu nhược điểm của từng phương án, sự hợp lý về kết cấu đối với điều kiện khu vực xây dựng cầu, điều kiện chế tạo và thi công, điều kiện khai thác, là cơ sở để đề xuất phương án kỹ thuật tối ưu. Do thời gian và khả năng của sinh viên còn hạn chế, báo cáo không đi sâu vào các chỉ tiêu dùng để so sánh các phương án.

Việc tính toán trọng lượng kết cấu cầu là một phần quan trọng trong thiết kế. Phương pháp được sử dụng là chia dầm thành các đoạn nhỏ, tương ứng với từng đốt thi công để thuận tiện cho việc tính toán. Diện tích tại vị trí đầu các nút được tính toán, từ đó suy ra thể tích của mỗi đoạn bằng cách nhân diện tích trung bình của mỗi đốt với chiều dài của nó. Phương pháp này giúp ước lượng khối lượng vật liệu cần thiết cho toàn bộ kết cấu cầu một cách tương đối chính xác. Trọng lượng bản thân cầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và khả năng chịu tải của công trình, vì vậy tính toán chính xác là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Bên cạnh trọng lượng của chính kết cấu cầu, các tải trọng khác tác động lên cầu cũng cần được tính toán kỹ lưỡng. Bao gồm tải trọng tĩnh (tự trọng của cầu), tải trọng động (tác động của phương tiện giao thông), và lực hãm xe (lực ngang tác động theo phương dọc cầu). Lực hãm xe được lấy bằng 25% trọng lượng của các trục xe tải hoặc xe hai trục, được đặt trong tất cả các làn thiết kế và coi như đi cùng một chiều. Các lực này được coi như tác dụng theo chiều nằm ngang, cách phía trên mặt đường 1800mm theo cả hai chiều dọc để gây ra hiệu ứng lực lớn nhất. Tất cả các làn thiết kế phải được chất tải đồng thời đối với cầu và coi như đi cùng một chiều trong tương lai. Việc tính toán chính xác các tải trọng này là cơ sở để thiết kế cầu đảm bảo an toàn và bền vững.

Lực ma sát giữa các mặt trượt tại gối cầu cần được xác định dựa trên các giá trị cực đại của hệ số ma sát. Cần xem xét đến các tác động của độ ẩm và khả năng giảm phẩm chất hoặc nhiễm bẩn của mặt trượt. Lực ngang tác động xuống trụ cầu cũng được tính toán và xem xét tỉ lệ truyền lực. Trong trường hợp này, tỉ lệ truyền lực được lấy bằng 100%. Tất cả các yếu tố này được tính toán một cách cẩn trọng để đảm bảo tính toán chính xác và an toàn cho toàn bộ kết cấu cầu. Việc bỏ qua bất kỳ yếu tố nào trong quá trình tính toán đều có thể dẫn đến sai lệch đáng kể, làm ảnh hưởng đến độ bền và an toàn của công trình.

Công tác chuẩn bị là khâu then chốt đảm bảo sự thành công của quá trình thi công. Cần chuẩn bị đầy đủ vật tư, trang thiết bị phục vụ thi công. Quá trình này liên quan nhiều đến điều kiện địa chất, thủy văn, tiềm ẩn nhiều rủi ro. Do đó, công tác chuẩn bị phải kỹ lưỡng, có các giải pháp ứng phó kịp thời với các tình huống có thể xảy ra. Các nội dung chính bao gồm: kiểm tra vị trí lỗ khoan, mốc cao độ; chuẩn bị ống vách, cốt thép lồng cọc; thiết kế cấp phối bê tông và thử nghiệm; kiểm soát tốc độ khoan phù hợp với địa tầng (trung bình đối với đất sét, chậm đối với đất cát sỏi); xử lý mặt đá không bằng phẳng bằng cách đặt đất sét, đá dăm để tạo mặt phẳng cho búa đập hoạt động; kiểm tra máy khoan, ổn định mực nước trong lỗ khoan; và đảm bảo an toàn khi kéo giàn khoan lên khỏi lỗ.

Công tác chính trong thi công trụ cầu là bê tông cốt thép và ván khuôn. Để thuận tiện cho việc lắp dựng ván khuôn, dự kiến sử dụng ván khuôn lắp ghép, được chế tạo từng khối nhỏ trong nhà máy, vận chuyển ra vị trí thi công rồi lắp ghép. Trước khi đổ bê tông, cần kiểm tra ván khuôn kỹ lưỡng và bôi dầu lên thành ván khuôn để tránh hiện tượng dính kết bê tông vào thành ván khuôn. Bê tông được đổ thành từng lớp dày 40cm, đầm ở các vị trí cách nhau không quá 1.75R, thời gian đầm là 50 giây một vị trí. Yêu cầu khi đầm phải cắm sâu vào lớp cũ 4-5cm, thấy nước xi măng nổi lên là được. Nếu sử dụng dung dịch bentonit giữ thành, độ nhớt phải phù hợp với điều kiện địa chất và phương pháp sử dụng dung dịch. Mặt dung dịch bentonit trong lỗ cọc phải cao hơn mực nước ngầm 1,0m trở lên; khi mực nước ngầm thay đổi thì mặt dung dịch bentonit phải cao hơn mực nước ngầm cao nhất là 1,5m.

Đối với phần thi công dầm cầu (nhịp 31m, mặt cắt ngang gồm 5 dầm T, chiều cao dầm H = 1.65m, khoảng cách giữa các dầm S = 2.3m), cần đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển và lắp đặt dầm. Cần thường xuyên kiểm tra hệ thống tim tuyến dầm và gối cầu. Công việc lắp dầm được thực hiện từ ngoài vào trong. Sau khi lắp xong toàn bộ dầm trên nhịp 1, tiến hành liên kết tạm chống với nhau và di chuyển giàn giáo để lắp nhịp tiếp theo. Trình tự thi công tuân thủ theo từng nhịp. Vận chuyển dầm đến tổ hợp giàn giáo dùng palăng, kích nâng dầm và kéo về phía trước (vận chuyển dầm theo phương dọc cầu). Khi dầm đến vị trí cần lắp đặt, dùng hệ thống bánh xe và palăng xích đặt lên 2 dầm ngang của tổ hợp giàn giáo, di chuyển dầm theo phương ngang cầu và đặt vào vị trí gối cầu.

Ninh Bình có nguồn nhân lực dồi dào với quy mô dân số khoảng 90 vạn người vào thời điểm báo cáo được viết, mật độ dân số thấp hơn mức trung bình của vùng Đồng bằng sông Hồng. Dự báo đến năm 2010, dân số sẽ đạt khoảng 1 triệu người, nằm trong giai đoạn “thời kỳ dân số vàng”. Điều này tạo ra một lợi thế đáng kể trong việc cung cấp nguồn lao động dồi dào cho các ngành kinh tế, đặc biệt là các ngành sử dụng nhiều lao động như thủ công mỹ nghệ và công nghiệp. Nguồn nhân lực chất lượng cao sẽ là một nhân tố quan trọng thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh, bao gồm cả các dự án xây dựng quy mô lớn như cầu. Việc đào tạo và thu hút nguồn nhân lực có kỹ năng phù hợp sẽ là yếu tố then chốt để đảm bảo thành công cho các dự án này.

Ninh Bình có lợi thế lớn về sản xuất và kinh doanh vật liệu xây dựng nhờ nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú. Các loại khoáng sản như đá vôi, đôlômit, đất sét, và than bùn tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các nhà máy sản xuất xi măng, gạch, thép xây dựng, và bê tông đúc sẵn. Sự hiện diện của các nhà máy xi măng lớn như Hướng Dương, Duyên Hà, The Vissai, và Công ty cổ phần bê tông thép Ninh Bình khẳng định tiềm năng phát triển của ngành này. Ngành vật liệu xây dựng không chỉ đóng góp vào sự phát triển kinh tế của tỉnh mà còn tạo ra nguồn cung cấp vật liệu xây dựng dồi dào, đáp ứng nhu cầu cho các dự án xây dựng cơ sở hạ tầng, bao gồm cả dự án cầu trong báo cáo.

Bên cạnh ngành vật liệu xây dựng, Ninh Bình còn có tiềm năng to lớn trong phát triển ngành du lịch. Tỉnh sở hữu nhiều tài nguyên thiên nhiên phong phú như Vườn quốc gia Cúc Phương, khu bảo tồn thiên nhiên Vân Long, các hang động, di tích lịch sử, và làng nghề truyền thống. Những tài nguyên này tạo điều kiện phát triển đa dạng các loại hình du lịch như du lịch văn hóa lịch sử, du lịch sinh thái, du lịch nghỉ dưỡng chữa bệnh, và du lịch tâm linh. Sự phát triển của hạ tầng du lịch, bao gồm khách sạn, nhà hàng… sẽ hỗ trợ cho sự phát triển bền vững của ngành du lịch. Ngành du lịch không chỉ tạo ra nhiều việc làm mà còn thu hút đầu tư, đóng góp đáng kể vào tăng trưởng kinh tế của tỉnh.