Giới thiệu dự án

Khu kinh tế Nghi Sơn (tỉnh Thanh Hóa) đóng vai trò là một trong những trung tâm kinh tế biển trọng điểm quốc gia, sở hữu tổ hợp liên hợp Lọc hóa dầu và hệ thống cảng nước sâu hiện đại. Tuy nhiên, mạng lưới hạ tầng giao thông kết nối khu vực này với Quốc lộ 1A và trung tâm thị xã đang đối mặt với sự quá tải nghiêm trọng. Cầu vượt sông Cẩm Lĩnh hiện hữu đã xuống cấp theo thời gian, không đáp ứng được lưu lượng xe tải trọng nặng và các phương tiện phục vụ sản xuất công nghiệp, vận tải logistics gia tăng trên 15%/năm.

Dự án Thiết kế cầu Cẩm Lĩnh – Nghi Sơn – Thanh Hóa giải quyết bài toán giao thông huyết mạch với các yêu cầu kỹ thuật và giải pháp cụ thể:

  1. Mục tiêu 1: Thiết kế công trình cầu vĩnh cửu theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 (phát triển trên nền tảng AASHTO LRFD), chịu được hoạt tải xe tải thiết kế HL-93 kết hợp tải trọng bộ hành $300 \text{ daN/m}^2$.
  2. Mục tiêu 2: Đảm bảo khổ thông thuyền sông cấp IV với mực nước thông thuyền $\text{MNTT} = +7.17 \text{ m}$ và mực nước cao nhất $\text{MNCN} = +7.84 \text{ m}$, duy trì khả năng thoát lũ an toàn qua khẩu độ thoát nước tối thiểu $L_0 \ge 166 \text{ m}$.
  3. Mục tiêu 3: Khảo sát, so sánh và lựa chọn phương án kết cấu tối ưu giữa 3 phương án sơ bộ: Cầu dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép (BTCT), cầu dầm BTCT dự ứng lực (DƯL) nhịp giản đơn dầm I bán lắp ghép, và cầu dầm liên tục thi công đúc hẫng cân bằng.
  4. Mục tiêu 4: Thiết kế kỹ thuật chi tiết dầm chủ nhịp 35 m, hạ bộ trụ đặc thân hẹp móng cọc khoan nhồi $\varnothing 1000 \text{ mm}$ cắm vào tầng đá Granite rắn chắc và lập biện pháp tổ chức thi công hoàn chỉnh.
                    MẶT CẮT NGANG CẦU CẨM LĨNH (B = 12.0m)
           Dầm 1     Dầm 2     Dầm 3     Dầm 4     Dầm 5
           (Khoảng cách giữa các dầm chủ: 2.30m - 2.40m)

Quy mô và thông số đo lường của dự án:

  • Chiều dài toàn cầu: $L = 175.3 \text{ m}$ (5 nhịp x 35 m).
  • Chiều rộng mặt cầu: $B = 12.0 \text{ m}$ (Gồm 2 làn xe cơ giới $2 \times 3.5 \text{ m}$, dải an toàn $2 \times 0.75 \text{ m}$, lề bộ hành và lan can $2 \times 1.75 \text{ m}$).
  • Tầng địa chất tựa móng: Lớp 6 - Đá Granite rắn chắc với chỉ số xuyên tiêu chuẩn $\text{SPT } N = 55$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khu vực cầu vượt sông Cẩm Lĩnh có địa tầng phân lớp phức tạp gồm 6 lớp đất đá: từ bùn sét dẻo mềm chịu lực yếu tại tầng nông đến đá Granite nứt nẻ nhẹ ở độ sâu $-37.07 \text{ m}$. Các phương án kết cấu nhịp được phân tích để lựa chọn giải pháp khả thi nhất:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Dầm thép liên hợp bản BTCT Phương án 2: Dầm I BTCT DƯL bán lắp ghép (Chọn) Phương án 3: Dầm liên tục BTCT DƯL đúc hẫng
Sơ đồ nhịp $4 \times 44 \text{ m}$ ($L = 176.25 \text{ m}$) $5 \times 35 \text{ m}$ ($L = 175.30 \text{ m}$) $50 + 75 + 50 \text{ m}$ ($L = 175.10 \text{ m}$)
Chiều cao kiến trúc ($h$) $1.95 \text{ m}$ $1.75 \text{ m}$ Biến thiên ($1.8 \text{ m} \div 4.2 \text{ m}$)
Khối lượng kết cấu phần dưới 3 trụ đặc, 2 mố U cải tiến 4 trụ đặc, 2 mố U cải tiến 2 trụ chính đúc hẫng, 2 mố
Công nghệ thi công Lao kéo dọc dầm thép, đổ bản BTCT Đúc sẵn tại bãi, cẩu lắp/lao dầm I Đúc hẫng cân bằng bằng xe đúc
Giá thành dự toán (VNĐ) $\approx 41.33 \text{ tỷ}$ $\approx 36.85 \text{ tỷ}$ $\approx 46.50 \text{ tỷ}$
Độ phức tạp bảo dưỡng Cao (sơn chống gỉ ăn mòn ven biển) Thấp (kết cấu BTCT DƯL chịu mặn) Thấp
Tính khả thi địa phương Phụ thuộc nguồn thép tấm nhập ngoại Tận dụng tốt trạm trộn & vật liệu nội Đòi hỏi thiết bị chuyên dụng cao

Ma trận ưu tiên yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW):

  • Must-have: Khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn (TTGH) Cường độ I và TTGH Sử dụng; sơ đồ cắm cọc ngàm đá Granite tối thiểu $0.5 \text{ m}$.
  • Should-have: Sử dụng tấm BTCT đúc sẵn làm ván khuôn không tháo dỡ cho bản mặt cầu nhằm tăng tốc độ thi công giai đoạn 1.
  • Could-have: Tích hợp ống ghen luồn cáp DƯL mạ kẽm cường độ cao bọc nhựa HDPE để chống ăn mòn ion clorua từ biển.
  • Won't-have: Ứng dụng dầm liên tục đúc hẫng do chi phí đầu tư thiết bị xe đúc quá lớn đối với chiều dài vượt sông dưới $200 \text{ m}$.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc kết cấu công trình phân rã thành các phân hệ kỹ thuật đồng bộ:

Công cụ phần mềm và công nghệ áp dụng:

  • Thiết kế & Vẽ kỹ thuật: AutoCAD 2021 mô hình hóa 2D/3D mặt bằng, mặt cắt chi tiết.
  • Phân tích kết cấu: Midas Civil v2022 và bảng tính toán Mathcad Prime 7.0 để phân tích tĩnh học, giải bài toán phân phối ngang và ứng suất kéo/nén theo thớ dầm.
  • Vật liệu chế tạo:
    • Bê tông dầm chủ: $f'_c = 40 \text{ MPa}$ ($E_c = 3.32 \times 10^4 \text{ MPa}$).
    • Cáp DƯL: Bó cáp 7 sợi xoắn $12.7 \text{ mm}$ (0.5 inch) theo chuẩn ASTM A416 Grade 270, $f_{pu} = 1860 \text{ MPa}$, $f_{py} = 0.9 f_{pu} = 1674 \text{ MPa}$.
    • Cốt thép thường: Thép vằn Gr60 ($f_y = 420 \text{ MPa}$).

Methodology

Quy trình thiết kế áp dụng phương pháp luận LRFD (Load and Resistance Factor Design) theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05:

$$\eta \sum \gamma_i Q_i \le \phi R_n = R_r$$

Trong đó: $\eta$ là hệ số điều chỉnh tải trọng ($\eta = 1.0$); $\gamma_i$ là hệ số tải trọng (Tĩnh tải DC: 1.25, DW: 1.5; Hoạt tải LL: 1.75); $\phi$ là hệ số sức kháng (Uốn: 1.0, Cắt: 0.9, Nén cọc: 0.75).

Ma trận rủi ro và biện pháp kiểm soát:

  1. Rủi ro sụt lún thành vách khi khoan cọc: Kiểm soát dung dịch khoan Bentonite có tỷ trọng $1.05 \div 1.15 \text{ g/cm}^3$, giữ cột áp cao hơn mực nước ngầm tối thiểu $1.5 \text{ m}$.
  2. Rủi ro mất mát ứng suất DƯL do ma sát và co ngót: Tính toán chính xác độ võng ngược do lực căng trước để kiểm soát chuyển vị mặt cầu theo thời gian.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình tính toán kiểm toán kết cấu được hiện thực hóa qua các thuật toán cơ học kết cấu cầu:

1. Thuật toán xác định hệ số phân phối tải trọng ngang (PPN)

Sử dụng công pháp đường ảnh hưởng kết hợp phương pháp dầm liên tục trên các gối tựa đàn hồi:

def calculate_distribution_factor(s_spacing, span_length, kg_stiffness, ts_slab):
    """
    Tính hệ số phân phối mômen cho dầm trong theo AASHTO LRFD / 22 TCN 272-05
    s_spacing: Khoảng cách giữa các dầm (m) = 2.35m
    span_length: Chiều dài nhịp tính toán (m) = 34.4m
    kg_stiffness: Tham số độ cứng dọc (mm^4)
    ts_slab: Chiều dày bản mặt cầu (mm) = 200mm
    """
    import math
    # Hệ số cho trường hợp 2 hoặc nhiều làn xe chịu tải:
    # mg = 0.075 + (S/2900)^0.6 * (S/L)^0.2 * (Kg / (L * ts^3))^0.1
    s_mm = s_spacing * 1000
    l_mm = span_length * 1000
    
    term1 = (s_mm / 2900) ** 0.6
    term2 = (s_mm / l_mm) ** 0.2
    term3 = (kg_stiffness / (l_mm * (ts_slab ** 3))) ** 0.1
    
    mg_interior = 0.075 + term1 * term2 * term3
    return mg_interior

2. Thuật toán tính toán sức kháng mũi và ma sát cọc khoan nhồi

Theo phương pháp Reese & Wright (1977) và Reese & O'Neill (1988) cho cọc khoan nhồi cắm vào tầng địa chất phân lớp:

def calculate_pile_capacity(layers, pile_diameter, n_spt_rock):
    """
    Tính sức chịu tải của cọc khoan nhồi D=1000mm
    """
    import math
    radius = pile_diameter / 2.0
    area_base = math.pi * (radius ** 2) # Ap
    perimeter = math.pi * pile_diameter # As per meter
    
    # 1. Sức kháng mũi đơn vị qp trong tầng đá Granite (N=55)
    # qp = 0.057 * N (MPa)
    qp_mpa = 0.057 * n_spt_rock
    qp_ton_m2 = qp_mpa * 100 # Chuyển đổi ra T/m2 (xấp xỉ 313.5 T/m2)
    Qp = qp_ton_m2 * area_base # Sức kháng mũi danh định (T)
    
    # 2. Sức kháng thân cọc Qs qua các lớp đất
    Qs_total = 0.0
    for length, qs_unit in layers:
        area_skin = perimeter * length
        Qs_total += qs_unit * area_skin
        
    # Hệ số sức kháng theo 22 TCN 272-05: phi_base = 0.55, phi_skin = 0.65
    phi_qp = 0.55
    phi_qs = 0.65
    Qr = (phi_qp * Qp) + (phi_qs * Qs_total)
    
    return {
        "Qp_nominal": Qp,
        "Qs_nominal": Qs_total,
        "Qr_factored": Qr
    }

Testing và validation

Kết quả kiểm toán các chỉ số an toàn chịu lực của dầm chủ nhịp 35 m tại mặt cắt giữa nhịp ($L/2 = 17.2 \text{ m}$) và mặt cắt gối ($L/0$):

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  KẾT QUẢ KIỂM TOÁN DẦM CHỦ BTCT DƯL L=35M               |
+------------------------------------+---------------+--------------------+
| Hạng mục kiểm tra                  | Giá trị tính  | Giới hạn cho phép  |
+------------------------------------+---------------+--------------------+
| Sức kháng uốn TTGH CĐ I (Mr)       | 8,452 kN.m    | Mu = 6,890 kN.m    |
| Sức kháng cắt TTGH CĐ I (Vr)       | 1,420 kN      | Vu = 1,150 kN      |
| Ứng suất nén thớ trên bản bê tông  | 11.2 MPa      | 0.45 f'c = 18.0 MPa|
| Ứng suất kéo thớ dưới dầm chủ      | 0.00 MPa      | 0.63 sqrt(f'c)=3.98|
| Độ võng do hoạt tải (HL-93 + IM)   | 28.4 mm       | L/800 = 43.75 mm   |
| Tổng mất mát ứng suất DƯL dài hạn  | 18.2 %        | < 22.0 %           |
+------------------------------------+---------------+--------------------+
  • Mất mát ứng suất DƯL tổng cộng: Tính toán chi tiết qua 6 thành phần:
    • Mất mát do ma sát ($\Delta f_{pF}$): $38.5 \text{ MPa}$
    • Mất mát do trượt neo ($\Delta f_{pA}$): $42.1 \text{ MPa}$
    • Mất mát do co ngắn đàn hồi ($\Delta f_{pES}$): $65.4 \text{ MPa}$
    • Mất mát do co ngót bê tông ($\Delta f_{pSH}$): $48.2 \text{ MPa}$
    • Mất mát do từ biến ($\Delta f_{pCR}$): $76.8 \text{ MPa}$
    • Mất mát do chùng cốt thép ($\Delta f_{pRE}$): $21.5 \text{ MPa}$
    • $\rightarrow$ Tổng mất mát ứng suất sau cùng: $\Delta f_{pT} = 292.5 \text{ MPa}$ ($\approx 18.2% f_{pj}$).

Kết quả đạt được

  1. Khẩu độ thoát nước hoàn chỉnh: Thiết kế 5 nhịp 35 m tạo khẩu độ thực tế $L_{SB0} = 168.2 \text{ m} > L_0 = 166 \text{ m}$ (đạt tỷ lệ dư tải thoát lũ $+1.3%$).
  2. Tối ưu hóa số lượng cọc móng: Bố trí chuẩn xác 6 cọc khoan nhồi $\varnothing 1000 \text{ mm}$ cho mỗi bệ mố ($13 \times 7 \text{ m}$) và 6 cọc cho mỗi bệ trụ ($8 \times 5 \text{ m}$), đảm bảo áp lực đáy cọc không vượt quá sức chịu tải tính toán $Q_r = 713.56 \text{ T}$ (Mố A) và $768.32 \text{ T}$ (Trụ T2).
  3. Giải pháp ván khuôn đúc sẵn: Thiết kế bản BTCT kê dày 80 mm giữa các dầm chủ giúp loại bỏ 100% hệ giàn giáo treo dưới lòng sông nguy hiểm, rút ngắn $25%$ thời gian đổ bê tông bản mặt cầu.

Đổi mới và đóng góp

  • Cải tiến ván khuôn bán lắp ghép: Thay thế ván khuôn gỗ/thép treo truyền thống bằng bản đáy BTCT đúc sẵn kiêm kết cấu chịu lực giai đoạn 1, triệt tiêu nguy cơ mất an toàn lao động trên sông.
  • Tiết kiệm chi phí đầu tư trực tiếp: Phương án 2 (Dầm I BTCT DƯL) có tổng mức đầu tư thấp hơn $10.8%$ so với Phương án 1 (Dầm thép liên hợp) và thấp hơn $20.7%$ so với Phương án 3 (Dầm hộp liên tục đúc hẫng), đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho ngân sách địa phương.
  • Quy trình kiểm soát ứng suất mất mát đa giai đoạn: Thiết lập biểu thức giải tích chính xác hóa thời điểm căng kéo cáp DƯL theo từng bó đơn lẻ, hạn chế rạn nứt đầu dầm do tập trung ứng suất cục bộ.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Quy trình thi công hạ bộ (Trụ T2 dưới nước)

        QUY TRÌNH THI CÔNG HẠ BỘ TRỤ T2 DƯỚI NƯỚC

Quy trình lao lắp kết cấu nhịp

  • Chế tạo dầm: Đúc dầm I tại bãi đúc đầu cầu trên nền đất gia cố lu lèn chặt, căng kéo cáp DƯL sau khi bê tông đạt $85%$ cường độ thiết kế ($f'c \ge 34 \text{ MPa}$).
  • Lắp đặt dầm: Sử dụng hệ giá ba chân hoặc dàn lao kéo dọc kết hợp tời cáp đưa dầm vào vị trí gối cao su cốt bản thép trên đỉnh mố/trụ.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật: Phương án dầm giản đơn 5 nhịp tạo ra 6 vị trí khe co giãn trên mặt cầu, đòi hỏi quy trình bảo trì gối cầu và khe co giãn định kỳ để tránh thấm dột nước mặt chứa muối ven biển.
  • Hướng nâng cấp:
    1. Ứng dụng công nghệ liên tục hóa bản mặt cầu (Link-slab) để triệt tiêu các khe co giãn trung gian tại các trụ T1, T2, T3, T4.
    2. Thay thế bê tông truyền thống bằng Bê tông siêu tính năng (UHPC) nhằm giảm chiều cao dầm chủ từ $1.75 \text{ m}$ xuống $1.10 \text{ m}$, tăng tĩnh không thông thuyền mùa lũ.
    3. Lắp đặt hệ thống cảm biến sợi quang (FBG Sensors) quan trắc độ võng và dao động động học phục vụ quản lý khai thác cầu thông minh.

Đối tượng hưởng lợi

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao Phương án 2 (Dầm I 35 m) được chọn thay vì Phương án 1 (Dầm thép liên hợp)? Môi trường khu vực Nghi Sơn gần cửa biển có độ ẩm cao và nồng độ muối lớn. Dầm thép đòi hỏi chi phí bảo dưỡng sơn chống rỉ định kỳ rất tốn kém và giá thành vật liệu nhập khẩu cao, trong khi dầm BTCT DƯL bền vững hơn trong môi trường biển và tận dụng 100% vật liệu nội địa.

  2. Chiều sâu ngàm cọc khoan nhồi vào lớp đá Granite tối thiểu là bao nhiêu? Theo quy trình thiết kế móng cọc chịu tải trọng lớn trên nền đá gốc, cọc khoan nhồi $\varnothing 1000 \text{ mm}$ phải ngàm vào tầng đá Granite ít nứt nẻ (Lớp 6, $N=55$) tối thiểu từ $0.5 \text{ m} \div 1.0 \text{ m}$ để huy động trọn vẹn sức kháng mũi $q_p = 313.5 \text{ T/m}^2$.

  3. Lớp phủ mặt cầu gồm những cấu tầng nào? Mặt cầu gồm 4 lớp tiêu chuẩn: Bản BTCT chịu lực dày $200 \text{ mm}$, lớp mui luyện chống thấm trung bình dày $35 \text{ mm}$, lớp màng phòng nước chuyên dụng dày $4 \text{ mm}$, và lớp phủ bê tông nhựa Asphalt chặt rải nóng dày $75 \text{ mm}$.

  4. Biện pháp nào chống xói lở chân mố móng hai đầu cầu? Thiết kế bố trí tứ nón mố gia cố bằng đá hộc xây vữa M100 dày $25 \text{ cm}$ trên lớp đệm đá dăm $4 \times 6$ dày $10 \text{ cm}$; chân khay chống xói được đặt sâu dưới cao độ xói lở dự báo tối thiểu $0.5 \text{ m}$.

  5. Phần mềm nào phù hợp nhất để kiểm chứng lại nội lực dầm chủ? Các kỹ sư có thể sử dụng Midas Civil để mô phỏng dầm không gian hoặc mô hình tĩnh học phẳng trong SAP2000 kết hợp bảng tính tự động trong Mathcad để kiểm toán độc lập các giá trị $M_u, V_u$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cầu Cẩm Lĩnh – Nghi Sơn – Thanh Hóa đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật công trình giao thông trọng điểm:

  • Xác lập cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc trong việc lựa chọn sơ đồ 5 nhịp giản đơn dầm I BTCT DƯL 35 m với tổng chiều dài $175.3 \text{ m}$.
  • Áp dụng triệt để Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, kiểm toán an toàn tuyệt đối mọi trạng thái giới hạn chịu lực của kết cấu thượng bộ và hạ bộ móng cọc khoan nhồi cắm đá Granite.
  • Đề xuất giải pháp thi công hạ bộ bằng vòng vây cọc ván thép và lắp ghép nhịp dầm I có tính khả thi cao, tối ưu hóa tổng mức đầu tư công trình ở mức $\approx 36.85 \text{ tỷ VNĐ}$.

Dự án là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên chuyên ngành Cầu Đường, kỹ sư kết cấu và các đơn vị tư vấn thiết kế hạ tầng giao thông trên toàn quốc.