Cầu dây văng cho đường sắt tốc độ cao: Những yêu cầu thiết kế đặc thù

Trong tham luận gửi tới Hội thảo “Công nghệ xây dựng cầu Việt Nam – Hành trình làm chủ và phát triển” nhóm tác giác giả gồm TS. Nguyễn Thị Nguyệt Hằng và TS. Trần Việt Hùng (thuộc Trường Đại học Xây dựng Hà Nội), ThS. Hồ Thái Hùng (thuộc Công ty TNHH Chodai & Kiso-Jiban Việt Nam) đã chia sẻ về kinh nghiệm quốc tế, yêu cầu thiết kế và định hướng áp dụng cầu dây văng cho đường sắt tốc độ cao tại việt nam. 

Trong tham luận nhóm tác giả nhấn mạnh, cầu dây văng có ưu thế về khả năng vượt nhịp, tổ chức không gian và có thể kết hợp đường bộ - đường sắt. Tuy nhiên, khi áp dụng cho đường sắt tốc độ cao (ĐSTĐC), loại cầu này đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn nhiều so với cầu đường bộ.

Độ mềm của hệ kết cấu, tải trọng trục lớn, yêu cầu nghiêm ngặt về hình học đường ray và tương tác động lực học giữa tàu - đường - cầu là những yếu tố chi phối trực tiếp quá trình thiết kế.

Từ kinh nghiệm của Nhật Bản, Trung Quốc và hệ thống tiêu chuẩn châu Âu/UIC, có thể nhận diện một số vấn đề quan trọng đối với cầu dây văng trên tuyến ĐSTĐC như độ cứng tổng thể, cộng hưởng, gia tốc mặt cầu, góc xoay đầu dầm, tương tác giữa đường ray hàn liền và cầu, tác động của nhiệt độ, co ngót, từ biến, mỏi dây văng, khí động học và tổ hợp gió - tàu - cầu.

Đòi hỏi cao về độ cứng và ổn định

Cầu trên tuyến ĐSTĐC phải đồng thời đáp ứng yêu cầu về cường độ, độ bền mỏi, ổn định và các trạng thái giới hạn sử dụng liên quan trực tiếp đến an toàn chạy tàu và độ êm thuận.

So với đường sắt thông thường, tốc độ cao làm tăng đáng kể độ nhạy của hệ thống đối với cộng hưởng, sai lệch hình học đường ray, biến dạng đầu dầm và các tác động môi trường. Vì vậy, trên phần lớn chiều dài tuyến, các sơ đồ cầu nhịp ngắn và vừa với độ cứng lớn vẫn thường là lựa chọn kinh tế.

Trong khi đó, tại các vị trí vượt sông lớn, luồng hàng hải, thung lũng sâu hoặc nút giao yêu cầu tĩnh không lớn, cầu dây văng có thể trở thành phương án cạnh tranh nhờ khả năng vượt nhịp và giảm số lượng trụ trong khu vực chướng ngại.

Tại Việt Nam, Nghị quyết 172/2024/QH15 xác định tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam dài khoảng 1.541 km, đường đôi khổ 1.435 mm, tốc độ thiết kế 350 km/h và tải trọng 22,5 tấn/trục.

Các thông số này không đồng nghĩa với việc cầu dây văng sẽ được lựa chọn trên tuyến. Tuy nhiên, ngay từ giai đoạn lựa chọn hướng tuyến, cần nhận diện các vị trí có yêu cầu vượt nhịp lớn và đánh giá đồng bộ giữa kết cấu cầu, hệ thống đường ray, khai thác tàu, điều kiện khí hậu và địa chấn.

Đối với các công trình đặc biệt, cách tiếp cận tách rời giữa “thiết kế cầu” và “thiết kế hệ thống đường sắt” là không phù hợp. Cầu phải được xem xét như một bộ phận của toàn bộ hệ thống tàu - đường - cầu.

Kinh nghiệm từ Nhật Bản và Trung Quốc

Nhật Bản có nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu, xây dựng cầu phục vụ đường sắt tốc độ cao. Cặp cầu Hitsuishijima và Iwakurojima thuộc hệ thống Seto-Ohashi được đưa vào khai thác năm 1988, mỗi cầu có nhịp chính 420 m, bố trí đường bộ ở tầng trên và đường sắt ở tầng dưới. Kết cấu tầng dưới được thiết kế có dự phòng không gian cho Shinkansen.

Đây là những ví dụ đáng chú ý về cầu dây văng kết hợp đường bộ - đường sắt. Tuy nhiên, cần phân biệt rõ giữa kết cấu được dự phòng cho Shinkansen và công trình thực tế đã khai thác Shinkansen, tránh diễn giải không chính xác khi tổng kết kinh nghiệm quốc tế.

Một trường hợp khác là Cầu số 2 sông Chikuma trên tuyến Hokuriku Shinkansen. Đây là cầu dây văng bê tông dự ứng lực hai nhịp liên tục, tổng chiều dài 270 m, gồm hai nhịp 135 m, hoàn thành vào giữa thập niên 1990.

Công trình cho thấy cầu dây văng bê tông có thể đáp ứng yêu cầu khai thác Shinkansen khi độ cứng, biến dạng và tương tác tàu - cầu được kiểm soát phù hợp. Đồng thời, trường hợp này cũng cho thấy phạm vi nhịp của cầu dây văng đường sắt tốc độ cao trong giai đoạn đầu còn tương đối thận trọng so với cầu đường bộ.

Tại Trung Quốc, quá trình phát triển nhanh mạng lưới ĐSTĐC đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu về cầu nhịp lớn. Theo Qin và Gao, một loạt cầu ĐSTĐC nhịp lớn đã được xây dựng, trong đó có nhiều cầu dây văng sử dụng dàn thép vượt sông Dương Tử và Hoàng Hà.

Đến cuối năm 2025, chiều dài mạng ĐSTĐC đang khai thác của Trung Quốc đã vượt 50.000 km theo số liệu của cơ quan quản lý đường sắt nước này. Quy mô mạng lưới lớn tạo ra cơ sở kinh nghiệm đáng kể về thiết kế và khai thác cầu nhịp lớn.

Tuy nhiên, khi tham khảo kinh nghiệm Trung Quốc cho Việt Nam, cần phân biệt giữa tốc độ thiết kế tuyến, tốc độ cho phép trên cầu, loại đoàn tàu, hệ thống đường ray và điều kiện môi trường cụ thể.

Xây dựng bộ tiêu chí thiết kế đồng bộ

Từ kinh nghiệm quốc tế, trong tham luận nhóm tác giả cho rằng, quá trình thiết kế cầu dây văng cho ĐSTĐC cần được triển khai theo từng cấp độ, từ lựa chọn phương án đến thiết kế cơ sở và thiết kế kỹ thuật.

Ở bước lựa chọn phương án, cần sử dụng mô hình không gian để đánh giá độ cứng uốn đứng, uốn ngang và xoắn; biến dạng do tĩnh tải, nhiệt độ và đoàn tàu; phản lực tại trụ biên; lực trong dây và khối lượng kết cấu.

Khi chuyển sang thiết kế cơ sở và thiết kế kỹ thuật, mô hình cần được mở rộng, bao gồm tương tác tàu - đường - cầu, tương tác đường ray hàn liền với cầu, phi tuyến hình học, các giai đoạn thi công và tổ hợp tác động môi trường.

Các nội dung kiểm toán tối thiểu gồm cường độ và ổn định của dầm, tháp, dây và móng; khả năng chịu mỏi của dây và các chi tiết thép; độ võng, chuyển vị ngang, độ xoắn, góc xoay đầu dầm và chuyển vị tương đối tại khe.

Bên cạnh đó, cần kiểm tra gia tốc mặt cầu và nguy cơ cộng hưởng trong dải tốc độ khai thác; đánh giá an toàn chạy tàu, độ êm thuận bằng mô hình tương tác tàu - đường - cầu khi cần thiết; kiểm tra ứng suất bổ sung trong ray do nhiệt, hãm, khởi động và biến dạng dầm.

Các tác động của gió tĩnh, gió động, tổ hợp gió - tàu - cầu, động đất, biến dạng dài hạn do co ngót, từ biến và nhiệt độ cũng phải được xem xét. Với những cầu đặc biệt, thử nghiệm khí động, thử tải và quan trắc là những bước quan trọng để kiểm chứng thiết kế.

Một nội dung cần được chú trọng là phân tích độ nhạy. Các tham số như độ cứng thực tế của dầm và tháp, độ cứng dây và lực căng, cản kết cấu, bất bình thuận đường ray, đặc tính liên kết ray, nhiệt độ dầm và ray, độ cứng gối, móng và vận tốc tàu cần được khảo sát.

Mục tiêu là xác định những tham số có ảnh hưởng lớn nhất để ưu tiên kiểm soát trong thi công và quan trắc khi khai thác, thay vì chỉ xây dựng một mô hình số rất chi tiết nhưng thiếu chiến lược hiệu chỉnh.

Không mặc định cầu dây văng cho mọi vị trí

Đối với tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam, cầu dây văng chỉ nên được xem xét tại những vị trí mà yêu cầu vượt nhịp khiến các phương án cầu dầm liên tục, cầu vòm hoặc sơ đồ kết cấu khác kém hiệu quả.

Ở giai đoạn nghiên cứu khả thi, cần so sánh các phương án trên cơ sở chi phí vòng đời, rủi ro thi công, độ tin cậy khai thác và khả năng bảo trì, thay vì chỉ căn cứ vào khối lượng vật liệu ban đầu.

Đặc biệt, với tốc độ thiết kế 350 km/h của tuyến, việc sử dụng cầu nhịp lớn đòi hỏi phải xác định riêng tiêu chí về tốc độ chạy tàu qua cầu và các trạng thái khai thác bất lợi. Không nên mặc định tốc độ thiết kế của tuyến là tốc độ chắc chắn được duy trì trên mọi cầu đặc biệt.

Về tiêu chuẩn, có thể sử dụng hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam làm nền tảng pháp lý, đồng thời tham khảo có kiểm soát EN 1990, EN 1991-2, UIC 776-2R và kinh nghiệm từ tiêu chuẩn ĐSTĐC Trung Quốc.

Điều quan trọng là phải xây dựng một hệ tiêu chí nhất quán về tải trọng, hệ số an toàn, phân tích động và trạng thái giới hạn. Không nên lấy từng giới hạn riêng lẻ từ nhiều hệ quy phạm rồi ghép lại. Các giá trị giới hạn phải được tư vấn thiết kế chứng minh về phạm vi áp dụng, phiên bản tiêu chuẩn và các điều chỉnh phù hợp với dự án.

Đối với Việt Nam, bốn nhóm nghiên cứu cần được ưu tiên gồm mô hình tương tác tàu - đường - cầu; mô hình nhiệt đối với cầu nhịp lớn trong điều kiện khí hậu Việt Nam; nghiên cứu khí động học và an toàn chạy tàu trong gió mạnh, bão; cùng chiến lược quan trắc sức khỏe kết cấu và hình học đường ray tích hợp.

Với những cầu đầu tiên thuộc loại này, thử nghiệm hầm gió, thử tải động và giai đoạn chạy thử tăng tốc nên được xem là các bước xác nhận thiết kế, thay vì chỉ coi là thủ tục nghiệm thu.

Cầu dây văng có tiềm năng được áp dụng tại một số vị trí vượt nhịp lớn trên tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam, nhưng không thể coi đây là sự mở rộng trực tiếp của công nghệ cầu dây văng đường bộ.

Yêu cầu thiết kế đối với cầu ĐSTĐC chuyển trọng tâm từ bài toán “đủ cường độ” sang bài toán hệ thống, trong đó độ cứng không gian, hình học đường ray, động lực học tàu - đường - cầu, độ bền mỏi, nhiệt độ và khả năng duy trì tốc độ khai thác cao đều phải được kiểm soát đồng thời.

Kinh nghiệm từ Nhật Bản và Trung Quốc cho thấy phạm vi nhịp của cầu dây văng có thể được mở rộng khi vật liệu, sơ đồ dầm hoặc dàn, hệ cáp và công cụ phân tích được phát triển đồng bộ. Đối với cầu nhịp lớn, phân tích động liên hợp và tương tác giữa đường ray hàn liền với cầu cần được tích hợp ngay từ giai đoạn đầu.

Trong điều kiện Việt Nam, hướng tiếp cận phù hợp là xây dựng bộ tiêu chí thiết kế theo nguyên tắc hệ thống, lựa chọn tiêu chuẩn tham chiếu nhất quán, kiểm chứng mô hình bằng thử nghiệm và chuẩn bị chiến lược quan trắc ngay từ giai đoạn thiết kế.

Chỉ khi các tiêu chí vận hành, loại đoàn tàu, hệ thống đường ray và điều kiện môi trường được xác định đầy đủ mới có thể kết luận về khẩu độ kinh tế và dạng dầm phù hợp cho từng vị trí. Vì vậy, chưa nên xác lập một giá trị khẩu độ “chuẩn” cho cầu dây văng trên tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam khi chưa có đầy đủ dữ liệu của từng dự án.