Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp ngành Xây dựng Cầu Đường tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (thực hiện bởi sinh viên Vũ Đức Hùng dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Anh Tuấn, hoàn thành ngày 23/01/2013) giải quyết bài toán thiết kế công trình cầu vượt sông Đà. Tuyến cầu dự kiến xây dựng nối liền hai huyện C và D thuộc tỉnh Hòa Bình, nằm trên tuyến tỉnh lộ E. Đây là tuyến đường huyết mạch kết nối hai trung tâm kinh tế tập trung các khu công nghiệp trọng điểm của địa phương.

Hiện tại, việc vận chuyển người và hàng hóa qua sông Đà tại khu vực này phụ thuộc hoàn toàn vào phà A nằm trên tỉnh lộ E. Năng lực khai thác hạn chế của bến phà gây ra tình trạng ách tắc giao thông đường bộ lẫn đường thủy, không đáp ứng được tốc độ gia tăng nhu cầu vận tải và cản trở việc hoàn chỉnh mạng lưới giao thông liên vùng. Bên cạnh đó, tuyến đường hiện hữu chạy xuyên tâm qua trung tâm thị xã C gây xung đột giao thông đô thị; quy hoạch mạng lưới giao thông đặt ra yêu cầu phải nắn tuyến theo tuyến tránh vành đai và xây dựng mới công trình cầu kiên cố vượt sông Đà.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Điều tra, tổng hợp số liệu về điều kiện tự nhiên (địa hình, khí hậu, thủy văn, địa chất), hiện trạng kinh tế - xã hội và quy hoạch phát triển giao thông vận tải khu vực xây dựng cầu.
  2. Thiết lập quy mô và tiêu chuẩn kỹ thuật của công trình phù hợp cấp sông thông thuyền (sông cấp V) và tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành (22 TCN 272-05, tải trọng HL-93).
  3. Đề xuất và thiết kế sơ bộ 3 phương án kết cấu cầu vượt sông: Phương án 1 (cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn), Phương án 2 (cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép), Phương án 3 (cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực liên tục thi công đúc hẫng cân bằng kết hợp nhịp dẫn).
  4. Tính toán sơ bộ tải trọng, xác định nội lực tác dụng lên mố, trụ; tính toán sức chịu tải của móng cọc khoan nhồi theo vật liệu và theo đất nền.
  5. Bóc tách khối lượng xây lắp, lập khái toán tổng mức đầu tư cho các phương án và đề xuất biện pháp tổ chức thi công làm cơ sở lựa chọn giải pháp khả thi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp thiết kế công trình cầu vĩnh cửu vượt sông Đà (Cầu A) trên tỉnh lộ E.
  • Phạm vi không gian: Tuyến nghiên cứu nối hai huyện C và D tại vị trí vượt sông Đà có khẩu độ thoát nước 200 m; phạm vi khảo sát địa chất gồm 4 hố khoan dọc theo lý trình từ Km0+005 đến Km0+210.
  • Phạm vi thời gian và tài liệu: Các số liệu thống kê hiện trạng và căn cứ quy hoạch từ giai đoạn 1999–2005; các chỉ tiêu dự báo nhu cầu giao thông được xác định đến năm 2010, 2015 và định hướng đến năm 2020.

Cơ sở quy chuẩn, tiêu chuẩn và phương pháp thiết kế

Các văn bản pháp lý và căn cứ lập dự án được viện dẫn trong đồ án gồm:

  • Quyết định số 1206/2004/QĐ-UBND ngày 11/12/2004 của Ủy ban nhân dân cấp tỉnh về việc phê duyệt quy hoạch phát triển mạng lưới giao thông giai đoạn 1999–2010 và định hướng đến năm 2020.
  • Văn bản số 215/UB-GTXD ngày 26/03/2005 của Ủy ban nhân dân cấp tỉnh cho phép Sở Giao thông Vận tải lập Dự án đầu tư xây dựng cầu A.
  • Văn bản số 260/UB-GTXD ngày 17/04/2005 về việc cho phép mở rộng phạm vi nghiên cứu dự án.
  • Văn bản số 1448/CĐS-QLĐS ngày 14/08/2001 của Cục Đường sông Việt Nam về quy định cấp kỹ thuật và luồng tàu chạy.

Hệ thống quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng:

  • Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22 TCN 272-05 do Bộ Giao thông Vận tải ban hành.
  • Hoạt tải thiết kế: Đoàn xe tải thiết kế HL-93 kết hợp tải trọng làn (Wlàn = 0,93 T/m), xe tải 2 trục thiết kế và tải trọng người đi bộ.
  • Cấp thông thuyền: Sông cấp V với tĩnh không thông thuyền có chiều rộng B = 25 m và chiều cao H = 3,5 m.
  • Tần suất lũ thiết kế: P = 1%.
  • Quy mô mặt cắt ngang: Chiều rộng phần xe chạy 10,5 m (3 làn xe), hai bên bố trí lan can và gờ chắn bánh mỗi bên rộng 0,5 m; tổng bề rộng cầu đạt B = 11,5 m.
  • Phương pháp xác định sức kháng cọc khoan nhồi theo đất nền: Áp dụng công thức ma sát thành bên $q_s = 0,0025 \cdot N_i \le 0,19\text{ MPa}$ theo Quiros & Reese (1977) và hệ số sức kháng quy định tại Bảng 10.5-3 của tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 ($\phi_{qp} = 0,55$ đối với sức kháng mũi trong đất cát, $\phi_{qs} = 0,55$ cho đất cát và $\phi_{qs} = 0,65$ cho đất sét).

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã sử dụng:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp số liệu: Xử lý dữ liệu khí hậu, thủy văn, địa hình và số liệu khảo sát của 4 hố khoan địa chất để xác định các chỉ tiêu cơ lý tầng đất nền.
  • Phương pháp cơ học kết cấu giải tích: Lập đường ảnh hưởng nội lực, xếp các tổ hợp hoạt tải bất lợi nhất để tính toán phản lực gối và áp lực tác dụng xuống bệ mố, móng trụ.
  • Phương pháp so sánh phương án kinh tế - kỹ thuật: Thiết kế sơ bộ 3 phương án kết cấu nhịp độc lập, bóc tách khối lượng vật liệu (bê tông, cốt thép thường, cốt thép dự ứng lực, thép kết cấu) và tổng hợp chi phí đầu tư theo đơn giá xây dựng cơ bản.

Nguồn dữ liệu: Số liệu khí tượng, thủy văn tại khu vực xây dựng công trình; số liệu địa chất từ 4 hố khoan thăm dò dọc tuyến; số liệu dự báo lưu lượng xe của Viện Chiến lược và Phát triển Giao thông Vận tải; hệ thống định mức và đơn giá xây dựng công trình giao thông tại thời điểm lập đồ án.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu chung

Chương I tập trung phân tích sự cần thiết đầu tư, hiện trạng kinh tế - xã hội, mạng lưới giao thông và các điều kiện tự nhiên tại khu vực xây dựng cầu:

  • Hiện trạng kinh tế - xã hội: Sản xuất nông nghiệp tăng trưởng bình quân 6% trong giai đoạn 1999–2000, trong đó trồng trọt chiếm 70% giá trị sản lượng và chăn nuôi chiếm 30%. Định hướng tăng trưởng nông nghiệp giai đoạn 2006–2010 đạt 8%/năm và giai đoạn 2010–2020 đạt 10%/năm. Kim ngạch xuất khẩu dự báo đạt 1 triệu USD vào năm 2010 và nâng lên 3 triệu USD vào năm 2020. Dân số đô thị trung tâm đạt 133.843 người với mật độ nội thành là 10.677 người/km2 (số liệu tính đến cuối năm 2004).
  • Hạ tầng giao thông: Tổng chiều dài đường bộ đạt 1.000 km, trong đó đường nhựa chiếm 45%, đường đá đỏ chiếm 35% và đường đất chiếm 20%. Mạng lưới đường thủy khai thác đạt 200 km cho phương tiện từ 1 tấn trở lên. Dự báo tăng trưởng phương tiện của Viện Chiến lược GTVT chỉ ra kịch bản tăng trưởng ô tô cao (2005–2010: 10%; 2010–2015: 9%; 2015–2020: 7%) và kịch bản thấp (2005–2010: 8%; 2010–2015: 7%; 2015–2020: 5%); xe máy tăng 3%/năm và xe thô sơ tăng 2%/năm.
  • Điều kiện tự nhiên và khí hậu: Khu vực thuộc đới khí hậu nhiệt đới gió mùa với nhiệt độ trung bình năm 27°C (thấp nhất 12°C, cao nhất 38°C), lượng mưa trung bình 2.000 mm, tổng số giờ nắng 2.200 giờ/năm, độ ẩm tương đối trung bình 85%.
  • Điều kiện thủy văn: Khẩu độ thoát nước $L_0 = 200\text{ m}$; mực nước cao nhất $MNCN = +3,45\text{ m}$; mực nước thấp nhất $MNTN = -1,15\text{ m}$; mực nước thông thuyền $MNTT = +1,2\text{ m}$; lưu tốc dòng chảy $v = 1,52\text{ m/s}$.
  • Địa chất công trình qua 4 hố khoan khảo sát:
    • Hố khoan I (Lý trình Km0+005): Lớp 1 cát mịn (cao độ -10 m), lớp 2 cát hạt trung (cao độ -6 m).
    • Hố khoan II (Lý trình Km0+065): Lớp 1 cát mịn (cao độ -8 m), lớp 2 cát hạt trung (cao độ -7 m).
    • Hố khoan III (Lý trình Km0+125): Lớp 1 cát mịn (cao độ -8 m), lớp 2 cát hạt trung (cao độ -8 m).
    • Hố khoan IV (Lý trình Km0+210): Lớp 1 cát mịn (cao độ -6 m), lớp 2 cát hạt trung (cao độ -9 m).
    • Lớp 3 bên dưới là tầng sét pha cát dẻo cứng làm lớp tựa chịu lực cho hệ cọc.

Chương II: Thiết kế cầu và tuyến

Chương II xác lập các chỉ tiêu kỹ thuật khống chế và đề xuất 3 phương án kết cấu cầu:

  • Tiêu chuẩn thiết kế: Cầu vĩnh cửu bằng bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) và thép liên hợp; khổ thông thuyền cấp V ($B \times H = 25 \times 3,5\text{ m}$); khổ cầu $B = 10,5 + 2 \times 0,5 = 11,5\text{ m}$; tần suất lũ $P = 1%$; hoạt tải HL-93. Vị trí tuyến bố trí ở đoạn sông thẳng, khẩu độ thoát nước 200 m.
  • Phương án 1: Cầu dầm BTCT DƯL nhịp giản đơn gồm 7 nhịp 31 m. Chiều dài kết cấu nhịp $L = 7 \times 31 = 217\text{ m}$, chiều dài toàn cầu $L_{tc} = 229\text{ m}$. Kết cấu nhịp gồm 5 dầm chủ tiết diện chữ T đúc sẵn. Mố dùng mố chữ U BTCT; trụ dùng trụ thân đặc mút thừa BTCT; móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1\text{ m}$. Thi công bằng tổ hợp lao cầu và giá ba chân.
  • Phương án 2: Cầu dầm thép liên hợp bản BTCT gồm 7 nhịp 31 m. Chiều dài kết cấu nhịp $L = 217\text{ m}$, chiều dài toàn cầu $L_{tc} = 229\text{ m}$. Mặt cắt ngang gồm 8 dầm thép chữ I liên hợp bản mặt cầu BTCT. Kết cấu phần dưới dùng mố U và trụ thân đặc trên nền móng cọc khoan nhồi $D = 1\text{ m}$. Thi công bán lắp ghép bằng phương pháp lao kéo dọc tời cáp.
  • Phương án 3: Cầu dầm hộp BTCT DƯL liên tục 3 nhịp kết hợp 2 nhịp dẫn đơn giản theo sơ đồ $33 + 42 + 66 + 42 + 33\text{ m}$. Tổng chiều dài kết cấu nhịp $L = 216\text{ m}$, chiều dài toàn cầu $L_{tc} = 227\text{ m}$. Dầm hộp có chiều cao thay đổi theo đường cong parabol, thi công phân đoạn theo phương pháp đúc hẫng cân bằng. Mố chữ U và trụ thân đặc trên móng cọc khoan nhồi $D = 1\text{ m}$.

Chương III: Tính toán sơ bộ khối lượng các phương án và lập tổng mức đầu tư

Chương III tính toán cấu tạo hình học, phân tích tải trọng, xác định khối lượng vật tư và dự toán chi phí xây dựng:

  • Tính toán Phương án 1:
    • Dầm chủ chữ T có chiều cao $h = 1,65\text{ m}$, diện tích tiết diện $A_d = 0,785\text{ m}^2$, thể tích một dầm là $20,925\text{ m}^3$ ($31 \times 0,675\text{ m}^3$). Mỗi nhịp bố trí 5 dầm ngang cao 1,1 m, sườn dày 20 cm. Tổng thể tích bê tông dầm cho 7 nhịp là $913,185\text{ m}^3$; khối lượng cốt thép dầm với hàm lượng $160\text{ kg/m}^3$ đạt 146,115 tấn.
    • Tĩnh tải giai đoạn 2 gồm lớp bê tông asphalt dày 5 cm (dung trọng $22,5\text{ kN/m}^3$), lớp bê tông bảo vệ dày 3 cm ($24\text{ kN/m}^3$), lớp phòng nước dày 1 cm, lớp đệm dày 3 cm ($24\text{ kN/m}^3$). Khối lượng bê tông lớp phủ là $53,6\text{ m}^3$; bê tông lan can và gờ chắn là $149,5\text{ m}^3$ (thép lan can gờ chắn đạt 21,5 tấn).
    • Kết cấu phần dưới: Bệ móng mố kích thước $2 \times 5 \times 11,5\text{ m}$; 6 trụ thân đặc T1–T6 có thể tích từ $79,385\text{ m}^3$ đến $79,725\text{ m}^3$/trụ. Tổng khối lượng bê tông 6 trụ là $476,73\text{ m}^3$.
    • Tính cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$: Bê tông cấp 30 ($f'c = 30\text{ MPa}$), cốt thép AII ($f_y = 420\text{ MPa}$, diện tích thép dọc $A{st} = 2% A_c = 15.700\text{ mm}^2$). Sức kháng mũi cọc tính toán $P_p = 2.280\text{ kN}$; tổng sức chịu tải cọc theo đất nền ở trụ đạt $P_{đn} = 4.710\text{ kN}$ (tương đương 471 tấn).
    • Kinh phí: Tổng mức đầu tư Phương án 1 là 43.226.906.202 đồng (trong đó chi phí xây lắp là 35.548.442.600 đồng, chỉ tiêu suất vốn 15.847.851 đồng/m2).
  • Tính toán Phương án 2:
    • Chiều cao dầm liên hợp $h_{lh} = 1,53\text{ m}$; chiều cao dầm thép $h_{th} = 1,3\text{ m}$; bản BTCT dày 18 cm, bản vót $5 \times 5\text{ cm}$. Bản biên trên dầm thép kích thước $30 \times 3\text{ cm}$; bản biên dưới thứ nhất $30 \times 3\text{ cm}$; bản biên dưới thứ hai $35 \times 3\text{ cm}$; sườn dầm dày 2 cm cao 121 cm.
    • Dầm ngang dùng thép hình U40 (trọng lượng $0,0483\text{ T/m}$, dài 1 m, bước dầm 3 m; toàn cầu có 511 dầm ngang với tổng khối lượng 32,09 tấn). Sườn tăng cường đứng cao 121 cm, rộng 12 cm, dày 1–2 cm (toàn cầu gồm 448 sườn với tổng khối lượng 4,88 tấn). Thép dầm chủ liên hợp là 718,17 tấn.
    • Bê tông dầm liên hợp là $480,35\text{ m}^3$, cốt thép dầm liên hợp đạt 72,053 tấn.
    • Kinh phí: Tổng mức đầu tư Phương án 2 là 48.332.593.619 đồng (trong đó chi phí xây lắp là 39.747.198.700 đồng, chỉ tiêu suất vốn 17.733.477 đồng/m2). Thời gian thi công dự kiến 2 năm.
  • Tính toán Phương án 3:
    • Dầm hộp tiết diện thay đổi: Chiều cao dầm tại đỉnh trụ $H_p = 3,8\text{ m}$, tại giữa nhịp và mố $h = 1,8\text{ m}$; đáy dầm cong theo parabol $Y_1 = a_1 X^2 + b_1$. Bản đáy hộp thay đổi từ 70 cm tại đỉnh trụ về 30 cm tại giữa nhịp. Sườn dầm dày 45 cm, bản nắp dày 25 cm, cánh hẫng dài 2,45 m dày 22–25 cm (vị trí ngàm giao sườn dày 60 cm).
    • Phân chia đốt thi công: Khối K0 đỉnh trụ dài 12 m (nửa đốt $1/2K_0 = 6\text{ m}$); 7 đốt đúc hẫng trung gian ($K_1 = 3,5\text{ m}$; $K_2–K_4 = 3,5\text{ m}$; $K_5–K_7 = 4,0\text{ m}$); đốt hợp long nhịp biên và giữa dài 2,0 m; đoạn đúc trên đà giáo cố định dài 8,0 m.
    • Thể tích bê tông cho 3 nhịp liên tục đúc hẫng đạt $V_1 = 954\text{ m}^3$ (bê tông M500). Kết cấu mố trụ dùng bê tông M300, trong đó tổng thể tích bê tông 2 trụ chính đúc hẫng là $708,54\text{ m}^3$.

Thiết kế kỹ thuật và biện pháp thi công

Căn cứ nội dung thuyết minh kỹ thuật, giải pháp thiết kế kết cấu và quy trình công nghệ thi công các bộ phận công trình được quy định như sau:

1. Kết cấu phần trên và phần dưới

  • Kết cấu phần dưới: Thống nhất áp dụng mố chữ U bằng bê tông cốt thép M300 đặt trên hệ móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$. Trụ cầu gồm các trụ thân đặc mút thừa bằng bê tông M300 đổ tại chỗ trên móng cọc khoan nhồi.
  • Kết cấu nhịp và vật liệu:
    • Phương án 1: Bê tông dầm chủ M300; cốt thép cường độ cao S-31, S-32 của hãng VSL (Thụy Sĩ); cốt thép thường CT3 và CT5.
    • Phương án 2: Bản mặt cầu bê tông M400 ($E_b = 3,5 \times 10^5\text{ kg/cm}^2$); kết cấu thép dầm chữ I và dầm ngang U40 ($E_T = 1,95 \times 10^6\text{ kg/cm}^2$); cốt thép cấu tạo CT3, CT5.
    • Phương án 3: Bê tông dầm hộp M500; cốt thép dự ứng lực S-31, S-32 VSL.
  • Thiết bị phụ trên cầu: Khe co giãn bố trí tại 8 vị trí ở PA1 và PA2 (chiều dài $8 \times 11,5\text{ m}$), 4 vị trí ở PA3; gối cầu gồm 84 chiếc cho PA1, PA2 và 28 chiếc cho PA3; hệ thống chiếu sáng gồm 10 cột đèn bố trí so le với khoảng cách 43,4 m; hệ thống thoát nước gồm 44 ống PVC bố trí so le cách nhau 10 m hai bên thành cầu; bản quá độ đầu cầu kích thước $4 \times 8 \times 0,2\text{ m}$.

2. Biện pháp thi công các hạng mục

  • Biện pháp thi công mố cầu (áp dụng 8 bước chuẩn bị và đúc đổ):
    1. San ủi, chuẩn bị mặt bằng bằng máy ủi kết hợp thủ công; định vị tim mố.
    2. Khoan tạo lỗ cọc khoan nhồi bằng máy khoan chuyên dụng có ống vách dẫn hướng theo toàn bộ chiều dài cọc.
    3. Làm sạch lỗ khoan, cẩu hạ lồng cốt thép, lắp ống dẫn đổ bê tông lồng cọc theo phương pháp rút ống.
    4. Kiểm tra chất lượng cọc; di chuyển thiết bị khoan sang vị trí cọc tiếp theo.
    5. Đào đất hố móng bằng máy đào kết hợp nhân công đến cao độ thiết kế.
    6. San phẳng đáy hố móng, đổ bê tông lót (bê tông nghèo) dày 10 cm trên lớp đệm đá dăm dày 30 cm.
    7. Lắp dựng cốt thép, dựng đà giáo ván khuôn và đổ bê tông bệ mố.
    8. Lắp dựng đà giáo ván khuôn, đặt cốt thép thân mố và tường cánh; đổ bê tông thân mố; tháo dỡ ván khuôn và đắp đất mố nón hoàn thiện.
  • Biện pháp thi công trụ cầu dưới nước (áp dụng 4 bước qua hệ vòng vây):
    1. Sử dụng hệ phao chở nổi chuyên dụng có đối trọng cân bằng để vận chuyển máy móc ra vị trí tim trụ trên sông.
    2. Đo đạc định vị tim trụ và hệ khung vây cọc ván thép; hạ khung định vị, đóng cọc ván thép tạo vòng vây chống nước. Thi công cọc khoan nhồi dưới nước qua ống vách.
    3. Đổ bê tông bịt đáy hố móng theo phương pháp vữa dâng; bơm hút cạn nước trong hố móng; đập đầu cọc khoan nhồi, vệ sinh đáy móng; lắp dựng ván khuôn cốt thép và đổ bê tông bệ trụ.
    4. Lắp dựng ván khuôn cốt thép thân trụ và xà mũ; đổ bê tông thân và mũ trụ; tháo dỡ ván khuôn, dùng búa rung nhổ cọc ván thép và thu hồi khung định vị.
  • Biện pháp thi công kết cấu nhịp:
    • Phương án 1 (Lắp ghép): Đúc sẵn dầm T tại bãi đúc đầu cầu; vận chuyển dầm ra hiện trường; sử dụng giá ba chân cẩu lắp dầm lên gối mố và gối trụ; đổ bê tông mối nối ướt bản cánh và dầm ngang; thi công bản mặt cầu và lớp phủ.
    • Phương án 2 (Bán lắp ghép): Chế tạo dầm thép chữ I và hàn sẵn vấu neo tại nhà máy; lắp ráp các đoạn dầm thép và hệ giằng ngang trên bãi lắp ở đầu cầu; liên kết thành hệ dầm liên tục rồi kéo dọc lao dầm qua sông bằng tời và hệ cáp kéo; lắp đặt ván khuôn cốt thép và đổ bê tông bản mặt cầu bằng máy bơm bê tông.
    • Phương án 3 (Đúc hẫng cân bằng): Đúc khối dầm K0 trên đỉnh trụ bằng đà giáo mở rộng cố định; lắp đặt xe đúc hẫng đối xứng hai bên; đúc phân đoạn từng khối từ K1 đến K7 kết hợp căng kéo cốt thép dự ứng lực từng đốt; đúc đốt trên đà giáo ở nhịp biên; tiến hành hợp long nhịp biên và hợp long nhịp giữa.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật giữa các phương án thiết kế được lập trực tiếp từ số liệu tính toán trong đồ án:

Tiêu chí kỹ thuật / kinh tế Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3
Loại kết cấu nhịp Cầu dầm T BTCT DƯL Cầu dầm thép liên hợp bản BTCT Dầm hộp BTCT DƯL liên tục + nhịp dẫn
Sơ đồ nhịp $7 \times 31\text{ m}$ ($L = 217\text{ m}$) $7 \times 31\text{ m}$ ($L = 217\text{ m}$) $33 + 42 + 66 + 42 + 33\text{ m}$ ($L = 216\text{ m}$)
Chiều dài toàn cầu ($L_{tc}$) 229 m 229 m 227 m
Công nghệ thi công nhịp Lắp ghép bằng giá ba chân Lao kéo dọc bằng tời cáp Đúc hẫng cân bằng theo phân đoạn
Mác bê tông kết cấu nhịp Bê tông M300 Bê tông M400 Bê tông M500
Khối lượng bê tông nhịp $913,185\text{ m}^3$ $480,35\text{ m}^3$ $954,00\text{ m}^3$ (cho 3 nhịp liên tục)
Khối lượng thép kết cấu nhịp 146,115 tấn (thép DƯL + thường) 718,17 T (thép dầm) + 32,09 T (dầm ngang) + 4,88 T (sườn) + 72,05 T (cốt thép bản) Cốt thép thường CT3, CT5 và cáp S-31, S-32 VSL
Kết cấu phần dưới 2 mố U, 6 trụ đặc, cọc khoan nhồi $D=1\text{ m}$ 2 mố U, 6 trụ đặc, cọc khoan nhồi $D=1\text{ m}$ 2 mố U, 4 trụ đặc (2 trụ đúc hẫng, 2 trụ nhịp dẫn), cọc $D=1\text{ m}$
Giá trị dự toán xây lắp (A) 35.548.442.600 đồng 39.747.198.700 đồng Chưa tổng hợp dự toán chi tiết
Tổng mức đầu tư (A+B+C+D) 43.226.906.202 đồng 48.332.593.619 đồng Chưa tổng hợp dự toán chi tiết
Chỉ tiêu suất vốn đầu tư 15.847.851 đồng/m2 17.733.477 đồng/m2 Chưa tổng hợp dự toán chi tiết
Thời gian thi công dự kiến Tiến độ thông thường 2 năm Tiến độ phụ thuộc chu kỳ đúc hẫng

Kết quả so sánh và đóng góp kỹ thuật:

  • Đồ án làm rõ sự khác biệt giữa hai phương án nhịp giản đơn: Phương án 1 tiết kiệm hơn Phương án 2 là 5.105.687.417 đồng (suất đầu tư thấp hơn 1.885.626 đồng/m2). Nguyên nhân do Phương án 2 phải tiêu thụ một khối lượng thép tấm và thép hình rất lớn (trên 755 tấn thép kết cấu cho dầm chủ và dầm giằng ngang), đẩy chi phí vật liệu kết cấu phần trên lên 22,16 tỷ đồng so với 18,34 tỷ đồng của Phương án 1.
  • Về mặt kỹ thuật, Phương án 1 tận dụng được công nghệ đúc dầm và cẩu lắp dầm giản đơn phổ biến, năng lực thiết bị trong nước đáp ứng tốt, biện pháp tổ chức thi công đơn giản.
  • Phương án 3 có ưu thế kỹ thuật vượt trội về thông thủy nhờ sơ đồ nhịp chính vượt sông dài 66 m, giảm bớt số lượng trụ trong lòng sông (chỉ cần 2 trụ chính so với 6 trụ ở PA1 và PA2), mở rộng luồng tàu chạy cho sông cấp V và tạo hình thức kiến trúc dầm hộp thanh thoát biến thiên theo chiều sâu chịu lực.
  • Đồ án đã đóng góp hệ thống số liệu tính toán chi tiết về sức chịu tải của cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ ngàm vào lớp đất cát/sét dẻo cứng, thiết lập bảng tính đường ảnh hưởng nội lực cho mố chữ U và trụ mút thừa, đồng thời hoàn thành bảng dự toán chi tiết theo định mức xây dựng công trình cầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Thuyết minh dừng lại ở mức độ so sánh thiết kế sơ bộ; hồ sơ dự toán chi tiết và tổng mức đầu tư chỉ mới được lập đầy đủ cho Phương án 1 và Phương án 2, chưa hoàn thiện bảng tổng hợp kinh phí cho Phương án 3.
  • Số liệu địa chất mới chỉ dựa trên 4 hố khoan sơ bộ, chưa có thí nghiệm hiện trường chuyên sâu (như thí nghiệm nén tĩnh cọc, thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT chi tiết qua từng mét sâu) để xác định chính xác cao độ mũi cọc tối ưu cho từng trụ.
  • Phần kiểm toán kết cấu mới tính toán theo tải trọng thẳng đứng (tĩnh tải và hoạt tải HL-93), chưa đi sâu kiểm toán chi tiết tải trọng gió, động đất, lực va chạm tàu thuyền vào trụ và hiệu ứng co ngót, từ biến của bê tông trong quá trình đúc hẫng cân bằng.
  • Tài liệu gốc có một số điểm chưa nhất quán về địa danh hành chính trong các phần viện dẫn bối cảnh (thuyết minh chính nêu xây dựng cầu vượt sông Đà tại Hòa Bình, nhưng phần căn cứ pháp lý và khí hậu có dẫn chiếu văn bản mang tên địa phương khác).

Hướng phát triển tiếp:

  • Triển khai bước Thiết kế kỹ thuật và Bản vẽ thi công cho phương án được lựa chọn (Phương án 1 hoặc Phương án 3), tính toán chi tiết việc bố trí cốt thép dự ứng lực căng trước/căng sau và kiểm toán dầm theo các trạng thái giới hạn sử dụng (độ võng, nứt) và trạng thái giới hạn mỏi.
  • Khoan khảo sát địa chất bổ sung tại đúng tim của từng mố và trụ dưới sông để chuẩn xác hóa sức kháng đất nền.
  • Tính toán bài toán thủy lực xói lở lòng dẫn xung quanh bệ móng mố trụ trong điều kiện xả lũ lưu tốc cao trên sông Đà.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo học thuật và thực tiễn đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Cầu Đường, Công trình Giao thông đang làm đồ án tốt nghiệp kỹ sư hoặc đồ án môn học Thiết kế cầu bê tông cốt thép, Cầu thép và Thi công cầu.
  • Kỹ sư thiết kế cầu đang tìm kiếm tài liệu mẫu về quy trình so sánh các phương án kỹ thuật vượt sông khẩu độ trung bình (khoảng 200 m) theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
  • Cán bộ kỹ thuật và quản lý dự án giao thông cần tham khảo phương pháp bóc tách khối lượng, lập dự toán chi phí xây lắp cầu và quy trình tổ chức thi công mố chữ U, trụ thân đặc bằng hệ khung vây cọc ván thép dưới nước.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:

  • Phương pháp tính toán sức kháng của cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ theo cả hai điều kiện: độ bền vật liệu bê tông - cốt thép và sức chịu tải của đất nền theo chỉ tiêu ma sát thành bên Quiros & Reese.
  • Bảng phân chia khối đốt đúc dầm hộp, công thức xác định quy luật thay đổi chiều cao dầm và bề dày bản đáy theo parabol cho kết cấu dầm đúc hẫng cân bằng.
  • Cấu trúc bảng tính dự toán chi tiết các hạng mục kết cấu phần trên, kết cấu phần dưới và đường dẫn hai đầu cầu theo các nhóm chi phí trực tiếp, gián tiếp, trượt giá và dự phòng.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô tải trọng và tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế của cầu A được quy định như thế nào?

Công trình được thiết kế theo Quy trình thiết kế cầu cống 22 TCN 272-05 của Bộ Giao thông Vận tải. Cấp tải trọng thiết kế là HL-93 (tổ hợp bất lợi nhất giữa xe tải thiết kế, xe hai trục và tải trọng làn $0,93\text{ T/m}$ kèm hệ số xung kích $1+IM = 1,25$). Cầu có tần suất lũ thiết kế $P = 1%$, khổ thông thuyền đáp ứng sông cấp V với tĩnh không thông thuyền $B = 25\text{ m}$ và $H = 3,5\text{ m}$. Bề rộng mặt cầu đạt 11,5 m gồm 3 làn xe chạy ($10,5\text{ m}$) và 2 gờ chắn bánh/lan can ($2 \times 0,5\text{ m}$).

2. Sự khác biệt về mặt cắt ngang và kết cấu nhịp giữa Phương án 1 và Phương án 2 là gì?

  • Phương án 1 dùng 5 dầm chủ bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ T cao 1,65 m, khoảng cách giữa các tim dầm là 2,3 m, kết hợp 5 dầm ngang/nhịp cao 1,1 m dày 20 cm.
  • Phương án 2 sử dụng 8 dầm thép tiết diện chữ I cao 1,3 m đặt cách nhau 1,375–1,4 m, liên hợp với bản mặt cầu bê tông cốt thép dày 18 cm (chiều cao dầm liên hợp tổng thể là 1,53 m). Hệ liên kết ngang dùng 511 thanh thép hình U40 và 448 sườn tăng cường đứng bằng thép bản dày 1–2 cm.

3. Chi phí xây dựng giữa Phương án 1 và Phương án 2 chênh lệch ra sao và do những yếu tố nào quyết định?

Phương án 1 có tổng mức đầu tư là 43.226.906.202 đồng (suất đầu tư 15.847.851 đồng/m2), trong khi Phương án 2 có tổng mức đầu tư là 48.332.593.619 đồng (suất đầu tư 17.733.477 đồng/m2). Phương án 2 đắt hơn Phương án 1 hơn 5,1 tỷ đồng. Nguyên nhân chính xuất phát từ chi phí kết cấu phần trên: dầm liên hợp thép ở Phương án 2 tiêu tốn đến 22,16 tỷ đồng (trong đó riêng chi phí thép dầm liên hợp 718,17 tấn đã chiếm 17,23 tỷ đồng), cao hơn nhiều so với chi phí kết cấu phần trên dầm bê tông cốt thép dự ứng lực của Phương án 1 (18,34 tỷ đồng).

4. Phương án 3 bố trí các thông số đốt đúc và quy luật biến thiên dầm hộp như thế nào?

Phương án 3 có sơ đồ nhịp liên tục $33 + 42 + 66 + 42 + 33\text{ m}$. Dầm hộp có chiều cao thay đổi theo đường cong parabol từ $H_p = 3,8\text{ m}$ tại đỉnh trụ xuống $h = 1,8\text{ m}$ tại giữa nhịp và đầu mố. Bản đáy hộp biến thiên từ 70 cm ở đỉnh trụ giảm dần về 30 cm ở giữa nhịp. Dầm được chia thành: khối K0 dài 12 m (nửa đốt đỉnh trụ $1/2K_0 = 6\text{ m}$), 7 đốt đúc hẫng trung gian ($K_1–K_4$ dài 3,5 m; $K_5–K_7$ dài 4 m), đốt hợp long dài 2 m và đoạn đúc trên đà giáo cố định dài 8 m. Tổng thể tích bê tông dầm hộp cho 3 nhịp liên tục là $954\text{ m}^3$ bê tông M500.

5. Sức chịu tải tính toán của hệ móng cọc khoan nhồi được xác định bằng những con số nào?

Đồ án thiết kế móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ cắm vào tầng địa chất cát pha/sét dẻo cứng. Theo tính toán tại trụ T4 và mố M1, sức kháng mũi cọc tính toán là $P_p = 2.280\text{ kN}$. Sức kháng thành bên cọc $P_s$ được xác định theo từng lớp đất dựa trên công thức của Quiros & Reese ($q_s = 0,0025 \cdot N_i \le 0,19\text{ MPa}$). Khi nhân với hệ số sức kháng $\phi = 0,55$, tổng sức chịu tải cho phép của một cọc đơn theo đất nền tại vị trí trụ đạt $P_{đn} = 4.710\text{ kN}$ (tương đương 471 tấn), bảo đảm điều kiện chịu lực dưới tác dụng của các tổ hợp hoạt tải HL-93 và tĩnh tải bản thân công trình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Đức Hùng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật sơ bộ cho công trình cầu A vượt sông Đà nối liền hai huyện C và D trên tỉnh lộ E. Bằng việc áp dụng nghiêm ngặt quy trình thiết kế cầu theo trạng thái giới hạn 22 TCN 272-05 và hoạt tải HL-93, đồ án đã tính toán, so sánh chi tiết 3 giải pháp kết cấu vượt sông (dầm T bê tông cốt thép dự ứng lực giản đơn, dầm thép liên hợp bản bê tông và dầm hộp liên tục thi công đúc hẫng cân bằng). Kết quả nghiên cứu cung cấp hệ thống số liệu chuẩn xác về khối lượng vật tư, sức chịu tải móng cọc khoan nhồi, tổng mức đầu tư và quy trình công nghệ thi công, tạo lập cơ sở kỹ thuật vững chắc phục vụ việc triển khai các bước thiết kế chi tiết tiếp theo của dự án.