Việc xây dựng một cây cầu, dù là cầu vượt sông, cầu vượt biển hay cầu vượt nút giao, không chỉ đơn thuần là công việc lắp đặt các cấu kiện. Đó là một quá trình ứng dụng khoa học kỹ thuật cao, biến những tính toán phức tạp trên bản vẽ thành những công trình giao thông kiên cố, bền vững. Cây cầu là mạch máu của nền kinh tế, đóng vai trò quyết định trong việc kết nối các vùng miền, giảm thiểu chi phí vận tải và đảm bảo an toàn giao thông.
Trong lĩnh vực kỹ thuật cầu đường, sự thành công của một dự án cầu phụ thuộc vào việc kiểm soát chặt chẽ từng giai đoạn, từ việc nắm vững đặc điểm địa chất nền, lựa chọn giải pháp móng phù hợp, cho đến việc kiểm soát chất lượng vật liệu và công nghệ thi công kết cấu nhịp. Bất kỳ sai sót nào trong quy trình đều có thể dẫn đến những hệ quả nghiêm trọng về mặt kỹ thuật, kinh tế và an toàn.
Trong bài viết này, Cauduong.net sẽ đi sâu vào phân tích toàn bộ chu trình xây dựng cầu, từ những bước khởi tạo cơ bản nhất đến các công đoạn thi công chuyên biệt. Mục tiêu là cung cấp một tài liệu tham khảo chuẩn mực, đủ sâu cho kỹ sư cầu đường và đủ rõ ràng cho người quan tâm đến lĩnh vực xây dựng hạ tầng giao thông.
Khái niệm và Tầm Quan Trọng của Quy Trình Xây Dựng Cầu
Quy trình xây dựng cầu là hệ thống các bước kỹ thuật được tiêu chuẩn hóa, bao gồm: khảo sát, thiết kế, chuẩn bị mặt bằng, thi công móng, thi công trụ/thân cầu, lắp đặt kết cấu nhịp và hoàn thiện công trình. Vai trò của quy trình này là đảm bảo dự án được thực hiện một cách khoa học, hiệu quả và an toàn tuyệt đối theo các yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra.
Về mặt kỹ thuật, quy trình này giúp quản lý rủi ro từ các yếu tố tự nhiên như lực nước chảy, tải trọng gió, tải trọng động đất và đặc biệt là tải trọng xe cộ thiết kế. Mỗi bước thi công đều phải được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo sự nhất quán về chất lượng và độ chính xác hình học của công trình. Thiếu một quy trình chuẩn mực, công trình cầu có nguy cơ bị lún không đều, nứt vỡ kết cấu hoặc giảm tuổi thọ vận hành ngay từ những năm đầu sử dụng.
Tại Việt Nam, các dự án xây dựng cầu phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về quản lý chất lượng công trình xây dựng và các tiêu chuẩn như TCVN 11823:2017 (Thiết kế cầu đường bộ) hoặc TCVN 4447:2012 (Công tác đất – Quy phạm thi công và nghiệm thu). Việc tuân thủ này không chỉ là yêu cầu pháp lý mà còn là nền tảng để công trình đạt được E-A-T (Chuyên môn – Uy tín – Độ tin cậy) trong cộng đồng kỹ thuật.
Giai đoạn 1: Khảo Sát và Thiết Kế Công Trình
Giai đoạn này được xem là nền móng trí tuệ, nơi mọi quyết định kỹ thuật quan trọng nhất được hình thành. Sai sót ở giai đoạn này sẽ dẫn đến những vấn đề không thể khắc phục trong quá trình thi công và vận hành.
Khảo sát Địa hình, Địa chất và Thủy văn
Khảo sát địa chất: Đây là bước bắt buộc để xác định sức chịu tải của đất nền, chiều sâu và độ dày các lớp đất khác nhau (cát, sét, đá, bùn). Dữ liệu thu thập từ các mũi khoan thăm dò và thí nghiệm hiện trường (SPT, CPT) là cơ sở để thiết kế giải pháp móng (móng nông, móng cọc, móng trụ). Trong trường hợp địa chất yếu hoặc phức tạp, cần tiến hành phân tích sâu hơn về tính ổn định mái dốc và nguy cơ trượt lún.
Khảo sát thủy văn: Với cầu vượt sông, việc nắm rõ chế độ dòng chảy, mực nước lũ thiết kế (H5%, H1%), tốc độ dòng chảy và độ sâu xói lòng dẫn là yếu tố then chốt. Dữ liệu này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán lực tác dụng của nước lên trụ cầu và chiều sâu chôn móng để tránh hiện tượng xói mòn chân trụ, một nguyên nhân hàng đầu gây ra sự cố sập cầu.
Thiết kế Cơ sở và Thiết kế Kỹ thuật
Dựa trên dữ liệu khảo sát, kỹ sư sẽ tiến hành lựa chọn sơ bộ kết cấu nhịp (dầm hộp, dầm I, dầm T, cầu dây văng, cầu treo) và hệ móng (cọc khoan nhồi, cọc đóng, giếng chìm). Quá trình này bao gồm việc tính toán tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD hoặc TCVN 11823, xác định nội lực và ứng suất trong từng cấu kiện.
Phân tích kỹ thuật chuyên sâu: Thiết kế cầu hiện đại thường sử dụng các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để mô hình hóa hành vi của kết cấu dưới tác động của tổ hợp tải trọng bất lợi nhất. Thiết kế phải giải quyết bài toán tối ưu hóa giữa cường độ chịu lực, độ cứng, tính kinh tế và khả năng thi công. Ví dụ, việc lựa chọn cầu dầm hộp bê tông dự ứng lực là giải pháp phổ biến cho cầu nhịp trung bình vì khả năng vượt nhịp tốt và giảm chiều cao kết cấu.
Giai đoạn 2: Chuẩn Bị và Thi Công Móng Cầu
Thi công móng là công đoạn quyết định sự ổn định lâu dài của cây cầu. Đây là một trong những phần khó khăn và tốn kém nhất, đặc biệt khi thi công dưới nước.
Công tác Chuẩn bị Mặt bằng và Thi công Tạm
Trước khi thi công móng, cần tiến hành giải phóng mặt bằng và xây dựng công trình phụ trợ như đường công vụ, bãi đúc/căng kéo dầm, và hệ thống điện nước. Đối với móng trụ dưới nước, việc xây dựng đê quai hoặc sử dụng cọc ván thép (Cofferdam) là bắt buộc để tạo ra môi trường làm việc khô ráo và an toàn, đảm bảo chất lượng bê tông.
Thi công Móng Cọc Khoan Nhồi
Cọc khoan nhồi là giải pháp móng phổ biến cho cầu lớn nhờ khả năng chịu tải lớn và độ sâu xuyên qua các lớp đất yếu. Quy trình bao gồm: định vị tim cọc, hạ ống vách bảo vệ (khi cần), khoan tạo lỗ, giữ ổn định thành vách bằng dung dịch Bentonite (hoặc Polymer) để ngăn sạt lở, hạ lồng thép và cuối cùng là đổ bê tông bằng phương pháp Tremie từ dưới lên. Việc kiểm soát chất lượng dung dịch Bentonite và đảm bảo liên tục quá trình đổ bê tông là yếu tố sống còn để cọc đạt cường độ và không bị khuyết tật.
Ví dụ ứng dụng: Các cầu lớn như cầu Nhật Tân hay cầu Cần Thơ đều sử dụng móng cọc khoan nhồi với đường kính lớn để chịu tải trọng tập trung từ trụ tháp và đảm bảo ổn định trong điều kiện địa chất phức tạp, chịu được tải trọng động đất theo tiêu chuẩn TCVN 9386-1:2012.
Giai đoạn 3: Thi công Trụ Cầu (Thân Cầu)
Trụ cầu (Piers) là cấu kiện truyền tải trọng từ kết cấu nhịp xuống móng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chiều cao thông thuyền và chiều dài nhịp thiết kế.
Công nghệ Đổ Bê tông Trụ Cầu
Thi công trụ cầu bao gồm việc lắp đặt cốt thép và đổ bê tông theo từng đợt (Stage). Hệ thống cốt thép phải được lắp dựng theo đúng bản vẽ, đảm bảo chiều dài neo và khoảng cách đai thép theo yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn. Việc sử dụng ván khuôn thép (hoặc ván khuôn trượt) chất lượng cao là cần thiết để đảm bảo độ phẳng và độ thẳng đứng của trụ, đồng thời tăng khả năng tái sử dụng và giảm chi phí.
Kiểm soát kỹ thuật: Quá trình đổ bê tông phải được kiểm soát nhiệt độ và tốc độ đổ để tránh hiện tượng nứt nhiệt do thủy hóa xi măng. Bê tông sử dụng phải đạt mác thiết kế (ví dụ: B30, B40) với độ sụt phù hợp, được lấy mẫu và thí nghiệm cường độ nén theo TCVN 3105 trước và sau khi đổ.
Xây dựng Bệ Trụ (Pile Cap)
Bệ trụ là bộ phận kết nối cọc móng với thân trụ. Bệ trụ thường có kích thước rất lớn, yêu cầu khối lượng bê tông lớn đổ liên tục. Để giảm ứng suất nhiệt và nứt, kỹ sư thường phải thiết kế hệ thống làm mát (dùng nước lạnh hoặc ống dẫn nước) trong khối bê tông lớn. Về mặt kết cấu, bệ trụ phải được thiết kế đủ độ cứng để phân phối tải trọng đồng đều lên tất cả các cọc.
Giai đoạn 4: Thi công Kết Cấu Nhịp (Superstructure)
Kết cấu nhịp là phần chịu tải trọng trực tiếp và định hình loại hình cầu. Có nhiều công nghệ thi công khác nhau tùy thuộc vào loại kết cấu.
Thi công Dầm Hộp Bê tông Dự Ứng Lực (Prestressed Concrete Box Girders)
Đây là một trong những giải pháp phổ biến nhất. Dầm có thể được thi công theo hai phương pháp chính:
1. Đúc hẫng (Cantilever Construction): Phù hợp với cầu vượt nhịp lớn (trên 100m) và địa hình phức tạp (ví dụ: thung lũng sâu, sông chảy xiết) nơi việc lắp đặt hệ đà giáo khó khăn. Quy trình là đúc cân bằng các đốt dầm (Segment) từ đỉnh trụ ra hai phía. Sau khi đúc mỗi đốt, cáp dự ứng lực sẽ được căng một phần để chịu tải trọng bản thân đốt dầm tiếp theo.
2. Đúc trên đà giáo (Falsework/Scaffolding): Áp dụng cho nhịp ngắn và trung bình (dưới 60m). Dầm được đúc tại chỗ trên hệ thống đà giáo kiên cố. Sau khi bê tông đạt cường độ thiết kế, cáp dự ứng lực dọc được căng kéo theo TCVN 14592:2024 (Yêu cầu kỹ thuật đối với bê tông cốt thép dự ứng lực) để tạo ra ứng suất nén trước, giúp kết cấu chịu tải tốt hơn.
Lắp đặt Dầm Chữ I Bê tông Cốt thép (PC I-Girders)
Dầm chữ I thường được đúc sẵn tại bãi và được vận chuyển, lắp đặt bằng cần cẩu lớn. Đây là giải pháp nhanh chóng, kinh tế cho các cầu nhịp ngắn. Điểm kỹ thuật quan trọng là việc đảm bảo liên kết ngang giữa các dầm bằng bản mặt cầu đổ tại chỗ và các thanh giằng để dầm làm việc đồng thời như một tổng thể kết cấu.
Cơ chế Chịu lực của Kết Cấu Dự Ứng Lực
Phân tích nguyên lý: Trong dầm bê tông cốt thép thường, tải trọng gây ra ứng suất kéo ở thớ dưới. Do bê tông chịu kéo kém, dầm dễ bị nứt. Dự ứng lực (Prestressing) là kỹ thuật căng kéo cốt thép cường độ cao (cáp) đặt trong dầm để tạo ra ứng suất nén ngược chiều (Compression). Khi cầu chịu tải, ứng suất kéo do tải trọng sẽ được cân bằng bởi ứng suất nén dự ứng lực, giữ cho bê tông luôn ở trạng thái nén hoặc nén tối thiểu, từ đó tăng cường độ và khả năng chống nứt của dầm, kéo dài tuổi thọ công trình.
Giai đoạn 5: Hoàn Thiện và Khai Thác Cầu
Đây là giai đoạn tạo nên sự liên tục và tiện ích cho người sử dụng, bao gồm các bộ phận chịu mài mòn và các hệ thống an toàn.
Bản Mặt Cầu, Lớp Phủ và Hệ Thống Thoát Nước
Bản mặt cầu (Deck Slab): Đảm bảo độ bằng phẳng và là lớp tiếp xúc trực tiếp với tải trọng xe. Bản mặt cầu phải có độ dốc ngang hợp lý để thoát nước. Sau đó là thi công lớp phủ mặt cầu (thường là bê tông nhựa nóng) đạt yêu cầu về độ nhám và độ bền mài mòn theo TCVN 8860:2011.
Hệ thống thoát nước: Cầu phải được trang bị hệ thống thu nước mặt (rãnh, hố thu) và ống thoát nước để ngăn nước thấm xuống kết cấu nhịp, gây ăn mòn cốt thép và hư hỏng bê tông.
Khe Co Giãn và Gối Cầu (Expansion Joints and Bearings)
Khe co giãn: Là bộ phận được lắp đặt ở hai đầu nhịp cầu, có chức năng cho phép kết cấu nhịp dãn nở/co lại dưới tác động của nhiệt độ và tải trọng xe mà không gây ứng suất nội tại lớn cho kết cấu. Khe co giãn cần được bảo trì thường xuyên để tránh nước thấm xuống mố/trụ.
Gối cầu: Là chi tiết kỹ thuật đặt giữa dầm và trụ, có nhiệm vụ truyền tải trọng và cho phép chuyển vị (dịch chuyển ngang, xoay) của dầm. Các loại phổ biến là gối cao su cốt bản thép (cho cầu nhịp ngắn) và gối chậu (cho cầu nhịp lớn, cầu dây văng) với khả năng chịu lực lớn và cho phép chuyển vị đa hướng.
Thông số Kỹ thuật Chủ yếu của Một Cầu Tiêu Chuẩn
- Tải trọng thiết kế: HL-93 (theo AASHTO LRFD) hoặc tương đương TCVN
- Cường độ bê tông dầm: Thường từ B40 – B60 (40–60 MPa)
- Cường độ thép dự ứng lực: Thường là 1860 MPa (ASTM A416/A416M)
- Chiều dài nhịp điển hình (Dầm I PC): 25m – 42m
- Chiều dài nhịp điển hình (Dầm Hộp Đúc Hẫng): 80m – 150m
Bảng Tổng Hợp So Sánh Công Nghệ Thi Công Kết Cấu Nhịp
| Công nghệ | Ưu điểm Kỹ thuật | Hạn chế Thực tế | Điều kiện Áp dụng |
|---|---|---|---|
| Đúc sẵn – Lắp ghép | Kiểm soát chất lượng cao; Thi công nhanh; Giảm ảnh hưởng dòng chảy. | Đòi hỏi cần cẩu và thiết bị vận chuyển nặng; Khó cho nhịp rất dài. | Cầu vượt nhịp ngắn và trung bình (L < 60m). |
| Đúc hẫng (Cast-in-place) | Vượt nhịp lớn (> 100m); Không cần đà giáo dưới. | Quy trình phức tạp; Đòi hỏi cân bằng mô-men xoắn; Thời gian thi công lâu. | Cầu qua sông sâu, thung lũng, hoặc cầu vượt biển. |
| Đà giáo di động (MSS/Segmental Launcher) | Thi công nhanh, liên tục; Giảm thiểu ảnh hưởng môi trường. | Chi phí đầu tư thiết bị cao; Phù hợp với tuyến cầu thẳng/cong nhẹ. | Các tuyến cầu cạn, đường cao tốc có nhịp lặp lại (ví dụ: Metro, Vành đai 3). |
Sự Cố/Thất Bại Thường Gặp và Biện Pháp Khắc Phục
Một số sự cố phổ biến trong xây dựng cầu liên quan đến việc không tuân thủ quy trình kỹ thuật hoặc sai sót trong giai đoạn thiết kế/khảo sát:
- Sự cố xói móng: Xảy ra khi móng cầu không được chôn sâu hơn mực xói lở dự kiến. Biện pháp khắc phục là tiến hành gia cố bằng rọ đá, tấm lát bê tông hoặc xây dựng tường chắn xung quanh chân trụ để giảm tốc độ dòng chảy cục bộ và bảo vệ đất nền.
- Nứt kết cấu do co ngót nhiệt: Đặc biệt xảy ra trong khối bê tông lớn như bệ trụ. Biện pháp phòng ngừa là kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ đổ bê tông, sử dụng bê tông có hàm lượng xi măng thấp hơn và có hệ thống làm mát.
- Lún lệch: Do sức chịu tải của các cọc hoặc móng không đồng đều. Khắc phục bằng cách bơm vữa gia cố vào các khu vực lún hoặc khoan thêm cọc bổ sung (nếu khả thi).
Phân tích về chi phí vòng đời: Việc đầu tư nghiêm túc vào khảo sát và thiết kế móng ban đầu, dù có vẻ tốn kém, nhưng lại là giải pháp kinh tế nhất. Chi phí khắc phục sự cố lún, nứt hoặc xói móng có thể gấp nhiều lần chi phí tiết kiệm được từ việc giảm bớt khối lượng vật liệu. Do đó, việc tuân thủ các TCVN và tiêu chuẩn quốc tế là khoản đầu tư đảm bảo tuổi thọ thiết kế 100 năm cho công trình.
Ứng Dụng Thực Tế tại Việt Nam và Thế Giới
Tại Việt Nam, các công trình cầu hiện đại đã áp dụng nhiều công nghệ tiên tiến:
- Cầu Nhật Tân (Hà Nội): Áp dụng công nghệ cầu dây văng nhiều mặt phẳng, đòi hỏi quy trình thi công trụ tháp và căng cáp phức tạp, theo tiêu chuẩn quốc tế về thiết kế kháng chấn.
- Cầu Vàm Cống (Đồng Tháp – Cần Thơ): Sử dụng công nghệ đúc hẫng (Cantilever) để vượt nhịp lớn, giảm thiểu ảnh hưởng đến luồng giao thông thủy.
Trên thế giới, các cầu có nhịp lớn như cầu Akashi Kaikyō (Nhật Bản) hay Millau Viaduct (Pháp) là minh chứng cho sự thành công của việc áp dụng quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt, từ việc kiểm soát vật liệu thép siêu cường đến việc kiểm tra ứng suất cáp dự ứng lực và hệ thống giám sát sức khỏe cầu (SHM) trong quá trình khai thác.
Kết Luận
Quy trình xây dựng cầu là một bản giao hưởng kỹ thuật mà trong đó, mỗi bước đều phải được thực hiện với sự chính xác tuyệt đối và tính chuyên nghiệp cao nhất. Từ việc đọc hiểu sâu sắc dữ liệu địa chất đến việc kiểm soát chất lượng bê tông và thép dự ứng lực, tất cả đều nhằm mục đích tạo ra một kết cấu có khả năng chống chịu lại tải trọng, môi trường và thời gian.
Lợi ích của việc áp dụng quy trình chuẩn TCVN và AASHTO không chỉ dừng lại ở độ bền vững của kết cấu mà còn ở việc tối ưu hóa chi phí vòng đời, đảm bảo an toàn cho hàng triệu lượt phương tiện. Cauduong.net khẳng định rằng, sự tôn trọng và tuân thủ các nguyên lý kỹ thuật chính là nền tảng để ngành cầu đường Việt Nam tiếp tục phát triển, xây dựng nên những công trình giao thông hiện đại, bền vững, nối liền đất nước.
