Tìm giải pháp cho gối cầu đường sắt tốc độ cao

Yếu tố then chốt bảo đảm an toàn khai thác cho công trình

Phát biểu tại Tọa đàm, PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh - Trưởng khoa Đào tạo Quốc tế (Trường Đại học GTVT) cho biết, Dự án đường sắt tốc độ cao (ĐSTĐC) Bắc - Nam đang được chuẩn bị triển khai là một trong những công trình hạ tầng chiến lược, mang tầm vóc quốc gia, không chỉ góp phần thúc đẩy liên kết vùng và phát triển bền vững mà còn là biểu tượng cho bước chuyển mình về công nghệ trong lĩnh vực GTVT của đất nước.

Với đặc thù chiều dài tuyến chạy trên cầu, các yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho hệ kết cấu nhịp và đặc biệt là gối cầu - bộ phận trung gian truyền tải lực giữa kết cấu nhịp và mố trụ, trở nên vô cùng quan trọng. Gối cầu không chỉ chịu tải trọng tĩnh và động trong điều kiện khai thác thông thường, mà còn là yếu tố then chốt bảo đảm an toàn khai thác cho công trình trong các tình huống cực đoan như động đất, thiên tai…

Theo GS. TS Trần Đức Nhiệm, đối với hệ thống đường sắt có vận tốc thiết kế từ 250 km/h đến 350 km/h, gối cầu phải đáp ứng yêu cầu rất cao về độ cứng, khả năng chịu mỏi và độ êm thuận cho tàu lâu dài.

Vai trò của gối cầu trong ĐSTĐC truyền tải trọng, gối cầu đóng vai trò quan trọng với tư cách là bộ phận trung gian giữa kết cấu phần trên và phần dưới, có chức năng truyền tải trọng từ kết cấu nhịp xuống mố, trụ. Đồng thời cho phép chuyển vị và giảm ứng suất phát sinh do giãn nở nhiệt, tải trọng đoàn tàu và biến dạng nền móng. Từ đó đảm bảo êm thuận và an toàn và hiệu quả vận hành của hệ thống ĐSTĐC.

Đối với yêu cầu kỹ thuật của gối cầu ĐSTĐC khả năng chịu tải trọng lặp, có thể đáp ứng được các tải trọng lặp theo phương thẳng đứng và tải trọng lặp do sự quay của dầm. Việc hạn chế chuyển vị và giảm ảnh hưởng của động đất lên kết cấu, trong trường hợp gối sử dụng là gối cao su thì cần có các chi tiết bộ phận phòng hiện tượng xê dịch gối.

Độ cứng thẳng đứng lớn, do tải trọng đoàn tàu lớn nên tác động của lực xung kích tác động lên kết cấu tại những vị trí chuyển tiếp lớn. Độ cứng thẳng đứng của gối lớn sẽ đảm bảo sự chuyển động của đoàn tàu là êm thuận tại các vị trí giữa các nhịp. Cần được cố định theo phương ngang cầu, việc cố định hệ gối theo phương ngang cầu sẽ mang lại tác dụng ổn định cho toàn tuyến đường sắt cũng như tăng sự ổn định theo phương ngang cầu, để chống chuyển vị ngang vượt giới hạn cho phép.

Một số các tiêu chuẩn thế giới 

Hiện nay, trên thế giới đang áp dụng các tiêu chuẩn gối cầu như: EN 1337 (EUROPE) là bộ tiêu chuẩn gồm 9 phần, quy định chi tiết về thiết kế, vật liệu, sản xuất, lắp đặt, thử nghiệm và bảo trì các loại gối cầu.

AASHTO LRFD bridge design specifications (Hoa Kỳ) với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế cầu theo phương pháp tải trọng và độ bền giới hạn, trong đó mục 14 quy định các yêu cầu cơ bản cho gối cầu.

Arema manual for railway engineering (american ailway engineering and maintenance of way association - Hiệp hội Kỹ thuật Đường sắt và Bảo trì Đường bộ Hoa Kỳ) với Tiêu chuẩn UIC 776-2 là bộ yêu cầu bắt buộc cho thiết kế cầu đường sắt tốc độ cao, bao gồm dao động, chuyển vị, độ ổn định.

Network rail standards (Tiêu chuẩn riêng của ngành Đường sắt Anh), đây là  tài liệu chuyên sâu dành riêng cho cầu đường sắt, đưa ra yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt hơn đối với các cấu kiện chịu tải trọng động lớn, bao gồm gối cầu: EN 1991-2 - Tải trọng tàu hỏa và lực động trên cầu; EN 1990 - Tổ hợp tải trọng, hệ số an toàn; EN 1993-2 hoặc EN 1992-2 - Kết cấu là thép hay bê tông; EN 1991, 1992, 1993.

Cũng theo PGS. TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh thì Việt Nam đang áp dụng TCVN 13594-8:2023 được xây dựng dựa trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn quốc tế, đặc biệt là EN 1337, nhằm phù hợp với điều kiện kỹ thuật, công nghệ, vật liệu và năng lực thi công hiện hành tại Việt Nam. Hiện nay, mới bắt đầu áp dụng để thiết kế cho đường sắt, các yêu cầu trong tiêu chuẩn đã được điều chỉnh theo hướng đơn giản hóa một số nội dung thử nghiệm và thiết kế.

Tiêu chuẩn TCVN 13594-8:2023 không phân chia thành nhiều tiêu chuẩn thành phần mà gộp các loại gối cầu vào các mục khái quát hơn, chủ yếu chia thành gối đàn hồi, gối trượt, gối cố định... Còn qui định các phương pháp thí nghiệm lại đưa vào các phụ lục tham khảo. Cách phân chia này giúp đơn giản hóa hệ thống tiêu chuẩn nhưng cũng có thể gây khó khăn trong việc phân biệt chi tiết các đặc tính kỹ thuật và phạm vi sử dụng hay thí nghiệm của từng loại gối.

So với AASHTO LRFD Chương 14 về gối cầu cũng đưa ra cách phân loại giữa gối đàn hồi và gối kim loại một cách rõ ràng, đồng thời nêu các yêu cầu thiết kế riêng biệt cho từng loại. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng AASHTO LRFD chủ yếu áp dụng cho cầu đường bộ, chưa bao hàm đầy đủ các điều kiện và yêu cầu riêng cho cầu ĐSTĐC.

Hoặc với EN 1337 quy định hệ thống phân loại gối cầu thông qua 9 phần chuyên biệt (EN 1337-1 đến EN 1337-9), tương ứng với từng loại gối và chức năng cụ thể như: Gối chậu (pot bearings), gối con lăn (roller bearings), gối đàn hồi (elastomeric bearings), gối dạng con lắc và các yêu cầu thử nghiệm kèm theo. Việc phân loại riêng biệt này giúp cho kỹ sư thiết kế dễ dàng xác định loại gối phù hợp với đặc trưng ứng xử cơ học và điều kiện công trình.

Theo nhiều chuyên gia thì Tiêu chuẩn TCVN 13594-8:2023 với điểm mạnh phù hợp với điều kiện thi công và công nghệ hiện tại của Việt Nam; đơn giản hóa một số yêu cầu kiểm tra để tạo thuận lợi cho triển khai bước đầu; được tham khảo từ tiêu chuẩn tiên tiến của châu Âu.

Bên cạnh đó, trên cơ sở tham khảo tiêu chuẩn nước ngoài thì Tiêu chuẩn TCVN 13594-8:2023 về gối cầu cần hoàn thiện những nội dung hay tài liệu hỗ trợ như EN 1337 về lựa chọn gối, thử nghiệm mỏi, biến dạng dư, hoặc đánh giá tuổi thọ thiết kế, kháng chấn đang được quan tâm đặc biệt trong các dự án ĐSTĐC hiện đại.

Phân loại gối cầu theo Tiêu chuẩn TCVN 13594-8:2023 gối cao su cấu tạo gồm các lớp cao su lưu hóa xen kẽ với bản thép mỏng, làm việc chủ yếu theo cơ chế biến dạng cắt của cao su. Gối chậu có cấu kiện chịu lực chính là tấm cao su chịu nén đặt kín khít trong lòng chậu. Tính năng trượt được phụ trách bởi tấm trượt. Gối chỏm cầu có phần chịu lực chính dưới dạng chỏm cầu hoặc dạng mặt trụ. Gối chốt và các loại khác cấu tạo và chức năng phức tạp, phục vụ các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt như kháng chấn, chuyển vị không đối xứng hoặc điều khiển chủ động.

Kinh nghiệm từ Nhật Bản

TS. Takehiko Himeno - Trưởng ban Kỹ thuật Hiệp hội gối cầu Nhật Bản chia sẻ, hệ thống đường sắt cao tốc Nhật Bản hiện có tổng chiều dài khai thác xấp xỉ 3.300 km trải dài từ Bắc xuống Nam, đồng thời đang tiếp tục mở rộng với tuyến Hokkaido Shinkansen. Song song với phát triển hạ tầng, Nhật Bản cũng duy trì một hệ thống tiêu chuẩn cầu đường sắt có lịch sử hơn bảy thập kỷ, bắt đầu từ năm 1914. Bước ngoặt lớn diễn ra năm 1964 khi tuyến Tokaido Shinkansen đi vào khai thác, qua đó hình thành bộ “quan điểm thiết kế” cho công trình cao tốc sử dụng tới ngày nay.

Đến năm 2023, dựa trên nội dung tiêu chuẩn đã có, toàn bộ tiêu chuẩn được tái cấu trúc thành ba lớp, trong đó phần “Thiết kế gối cầu cho đường sắt và đường sắt cao tốc” được tách riêng để mô tả cụ thể các yêu cầu liên quan tới các loại gối cầu.

Tiêu chuẩn thiết kế gối cầu cao tốc đòi hỏi song hành ba mục tiêu: Tính an toàn, bảo đảm chịu được lực thẳng đứng, lực ngang và tải trọng động đất thiết kế; Tính khai thác, duy trì độ cứng và hạn chế chuyển vị; tính phục hồi, tức mọi hư hỏng tiềm tàng phải được khống chế tại vị trí dễ thay thế để rút ngắn thời gian khôi phục lưu thông.

Các loại gối cầu chủ yếu sử dụng cho đường sắt cao tốc là các gối cao su và hệ thanh neo cho kết cấu nhịp đơn giản hoặc tại các trụ biên. Kết cấu gối chỏm cầu có tấm chịu nén bằng đồng đúc chất lượng cao hoặc gối chậu cũng có thể dùng cho kết cấu nhịp cỡ trung tới 40 m.

Đối với các kết cấu nhịp lớn hoặc cầu lớn cần sử dụng hệ gối cao su giảm chấn HDRS hoặc hệ gối thép chỏm xoay. Đặc biệt, với những trường hợp cầu được thiết kế với động đất đặc biệt cần quan tâm thiết kế tới hệ sản phẩm hạn chế chuyển vị và hệ sản phẩm chống sụp đổ cầu để nâng cao tính an toàn cũng như tính năng sử dụng của công trình cầu, TS. Takehiko Himeno thông tin.

Về quy định quản lý chất lượng các gối cầu, TS. Takehiko Himeno cho biết, ngoài yêu cầu thực hiện đầy đủ các thí nghiệm thẳng đứng, thí nghiệm ngang và thí nghiệm kiểm chứng tính mỏi khi chịu nén lặp trong 2 triệu lần và đánh giá tính mỏi trong khi quay xoay 2 triệu lần gia tải cũng cần được thực hiện để đảm bảo khả năng làm việc cũng như kiểm tra tính từ biến của vật liệu. Điều này sẽ ảnh hưởng tới sự vận hành an toàn của toàn bộ kết cấu cầu khi có đoàn tàu cao tốc chạy liên tục.

Cần hoàn thiện tiêu chuẩn

Để đáp ứng yêu cầu về gối cầu đối với ĐSTĐC phù hợp với điều kiện Việt Nam, nhiều chuyên gia đề xuất cải tiến, cần bổ sung hướng dẫn cụ thể về lựa chọn loại gối cầu phù hợp cho từng dạng kết cấu cầu phổ biến tại Việt Nam, giúp người thiết kế dễ dàng đưa ra quyết định phù hợp hơn với chức năng kết cấu.

Tại buổi Tọa đàm, nhiều chuyên gia đã phân tích và so sánh với các bộ tiêu chuẩn quốc tế, cần được tiếp tục bổ sung khi áp dụng TCVN 13594-8:2023 vào thực tế, cần hướng dẫn rõ hơn việc lựa chọn loại gối phù hợp với sơ đồ kết cấu điển hình; bổ sung yêu cầu chi tiết về thử nghiệm vật lý, đánh giá khả năng làm việc lâu dài, kiểm tra định kỳ và ứng xử trong điều kiện tải trọng lặp, mỏi và động đất.

Việc cập nhật các quy định liên quan đến vật liệu phù hợp với vùng khí hậu, cũng như khuyến nghị kiểm định theo vòng đời, là rất cần thiết nhằm đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy cho các công trình ĐSTĐC.

Các chuyên gia kiến nghị Bộ Xây dựng xem xét cập nhật nội dung chi tiết hơn về yêu cầu kỹ thuật, thử nghiệm và vận hành gối cầu, nội luật hóa các tiêu chuẩn liên quan, đặc biệt là các nội dung về gối chịu mỏi và gối kiểm soát rung động.