Lựa chọn công nghệ phù hợp khi xây dựng công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín

145
Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Hà Nội, 30/10/2009
Lựa chọn công nghệ phù hợp khi xây dựng công trình ngầm
theo kỹ thuật đào kín
TS. Bùi Đức Chính
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
ThS. Phạm Thanh Tùng
Công ty CP Công trình ngầm
Tóm tắt: Kỹ thuật đào kín (Trenchless Technique/No-dig) là một kỹ thuật được áp dụng phổ biến
trong xây dựng công trình ngầm. Việc lựa chọn công nghệ thi công phù hợp trong kỹ thuật đào kín
đóng vai trò quan trọng đến sự thành công của các dự án xây dựng công trình ngầm, đặc biệt là
trong xây dựng công trình ngầm đô thị. Bài báo này giới thiệu những kết quả nghiên cứu ban đầu
về xây dựng công trình ngầm theo kỹ
thuật đào kín bao gồm: so sánh ưu nhược điểm của kỹ thuật
đào hở và kỹ thuật đào kín; tóm tắt về một số công nghệ thường dùng trong kỹ thuật đào kín; các
tiêu chuẩn lựa chọn công nghệ khi xây dựng công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín.
Abstract: Trenchless technique is a technique which is widely applied in underground structure
construction. Choosing an appropriate construction technology plays an important role in the
success of an underground structure construction project, especially in urban underground
structures. This article introduces the initial research results on the underground structure
construction using trenchless technique, including: comparison of the advantages and
disadvantages of trenchless technique and trench technique; summary of some kinds of
technologies often used in trenchless technique and standards to choose technology when
constructing underground structure by trenchless technology.
1 Các công nghệ trong kỹ thuật đào kín
1.1 Các kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
Cho đến nay có rất nhiều công nghệ thi công công trình ngầm khác nhau đã được áp dụng, song
có thể phân thành hai kỹ thuậ xây dựng chính là : kỹ thuật đào hở, còn gọi là đào lộ thiên/đào và lấp

(Trench Technique) và kỹ thuật đào kín (Trenchless Technique/No-dig). Mỗi kỹ thuật đều có những
phạm vi áp dụng thay đổi tuỳ theo rất nhiều yếu tố [1, 4, 6].
1.2 Kỹ thuật
đào hở trong xây dựng công trình ngầm
Kỹ thuật đào hở là một thuật ngữ chỉ các công nghệ xây dựng công trình ngầm mà người ta xây
dựng công trình ngầm bằng cách đào từ mặt đất tự nhiên đến cao độ đáy công trình ngầm, thi công rồi
lấp phủ công trình ngầm. Kỹ thuật này có những nhược điểm :
 Kỹ thuật đào hở đòi hỏi khối lượng đào đắ
p rất lớn, phá vỡ cảnh quan khu vực xây dựng, đặc
biệt là khi công trình đặt khá sâu so với mặt đất;
 Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông (thực tế đã chứng minh có rất nhiều vấn đề
nảy sinh khi thi công hầm chui nút Kim Liên và hầm bộ hành ở nút Ngã Tư Sở: vấn đề ách tắc giao
thông, nhà dân sát với công trình thi công bị nghiêng, nứt…);
 Trong đất sét yếu và đất bùn thì việc bảo đảm ổ
n định nền đất rất phức tạp;
 Sự hạn chế trong khi vạch tuyến : phải bám theo các tuyến phố hiện hữu, đặc biệt bán kính
cong nhỏ khi xây dựng tuyến tàu điện ngầm, nếu công trình thi công sát với móng công trình hiện có
thì phải tiến hành gia cố chống đỡ những công trình này gây tốn kém;

146
Vn gii phúng mt bng dnh ch cho cụng trng xõy dng, t chc li cỏc tuyn giao
thụng, n, chn ngl nhng vn kinh t-xó hi khú gii quyt nhanh gn cụng trỡnh khi
cụng ỳng thi hn.
1.3 K thut o kớn trong xõy dng cụng trỡnh ngm
Khỏc vi k thut o h, k thut o kớn khụng o t trờn mt t xu
ng m o ngm trong
lũng t to ra cỏc hang o, sau ú cụng trỡnh ngm s c xõy dng trong cỏc hang o ny.
K thut ny t ra rt hiu qu khi xõy dng cỏc cụng trỡnh ngm ụ th t sõu, c bit l khi xõy
dng cỏc cụng trỡnh ngm cú mt ct ngang trũn hoc hỡnh ch nht. Tựy theo dng cụng trỡnh l loi
trng lc hay loi ỏp lc m la chn cụng ngh cho phự hp.

Hin nay cú rt nhiu cụng ngh trong k
thut o kớn. Hỡnh 1 gii thiu mt cỏch phõn loi cỏc
cụng ngh trong k thut o kớn. Theo ú k thut o kớn c phõn thnh 3 nhúm cụng ngh chớnh
: (1) khoan o ngang, (2) kớch y, (3) s dng cỏc TBM [1, 3].
Kỹ thuật đào kín
Khoan đào ngang Kích đẩy ống Sử dụng các TBM
Khoan guồng xoắn Khoan định hớng Microtunnelling Đóng ống
Có ngờiKhông ngời

Hỡnh 1 : Phõn loi cỏc cụng ngh trong k thut o kớn
Nhúm cỏc cụng ngh khoan o ngang bao gm cỏc cụng ngh trong ú vic o hang c thc
hin nh cỏc thit b mỏy múc, khụng cho cụng nhõn vo bờn trong hang o. Nhúm ny c chia
thnh [2, 3]:
Cụng ngh khoan gung xon (Auger Boring-AB);
Cụng ngh khoan nh hng ngang (Horizontal Directional Drilling-HDD);
Cụng ngh o hm nh (MicroTunneling-MT);
Cụng ngh úng ng (Pipe Ramming-PR);
C hai cụng ngh kớch y (Pipe Jacking-PJ) v s
dng mỏy o hm (Tunnelling Boring
Machine-TBM) u yờu cu cụng nhõn vo bờn trong hang o trong quỏ trỡnh o t v quỏ trỡnh thi
cụng. Tuy nhiờn, cụng ngh kớch y khỏc vi cụng ngh TBM kt cu chng thnh hang o.
Cụng ngh kớch y s dng nhng on cụng trỡnh ngm c ch to sn, cỏc on cụng trỡnh ngm
mi c ni tip v y vo trong t nn nh h thng kớch y t ti gi
ng iu khin kt hp vi
o t [1, 3, 5]. Trong khi ú cụng ngh TBM s dng cỏc thit b mỏy o o t, kt cu chng
c thi cụng ngay ti bờn trong cụng trỡnh ngm [4].
Mt s u im ca k thut o kớn : Theo tng kt qua nhiu cụng trỡnh thỡ k thut o kớn cú
khỏ nhiu u im.
V phng din k
thut :

m bo c bn vn cú ca lp v cụng trỡnh ngm;

147
♦ Hạn chế được mức tối thiểu việc đào cắt mặt bằng;
♦ Ít rủi ro về lún;
♦ Giảm đến tối thiểu việc chỉnh trang lại mặt bằng;
♦ Bề mặt hoàn thiện bên trong trơn nhẵn tạo ra các đặc tính dòng chảy tốt;
♦ Không đòi hỏi làm lớp vỏ công trình ngầm thứ hai;
♦ Ít mối nối so với các công trình ngầ
m lắp ghép;
♦ Ngăn chặn được sự xâm nhập của nước ngầm nhờ dùng các mối nối mềm kín nước;
♦ Giảm đáng kể về các chi phí xã hội so với kỹ thuật đào hở ở khu vực đô thị;
 Lợi ích về an toàn của kỹ thuật đào kín : Kỹ thuật đào kín bao gồm các công nghệ thi công
luôn có tính an toàn cao hơn cho con người so với kỹ thuật
đào hở. Sau khi nghiên cứu rất nhiều các
công trình ngầm đã được xây dựng, Cục Sức khoẻ và An toàn (Hoa Kỳ) kết luận rằng kỹ thuật đào kín
ít xảy ra các nguy cơ tai nạn hơn so với kỹ thuật đào hở.
 Lợi ích về môi trường : So với kỹ thuật đào hở, việc sử dụng kỹ thuật đào kín sẽ đạt được
nhiều l
ợi ích thực sự về môi trường. Nhìn chung, kỹ thuật đào kín giảm được lượng vật liệu đưa từ nơi
khác đến và lượng vật liệu cần chuyển đi. Nhờ thế mà giảm bớt số lượt xe tải qua lại và ít gây nên xáo
động cho môi trường. Một so sánh giữa hai kỹ thuật được nêu trong bảng 1.
Nhưng kỹ thuật đào kín cũng có một số nhược điểm :

Đòi hỏi một đội ngũ thợ lành nghề và phải được đào tạo;
 Không thể thay đổi nhanh được hướng tuyến hoặc cao trình đặt công trình ngầm, việc thao tác
hiệu chỉnh có thể là rất tốn kém;
 Giá thành thiết bị TBM còn cao và vận hành liên tục của chúng còn bị hạn chế.
Bảng 1.Một so sánh giữa kỹ thuật đào hở và kỹ thuật đào kín
Đặc điể

m
công trình ngầm
Đườn
g
kính D600,
sâu 4m, dài 100m
Đườn
g
kính D1200,
sâu 4m, dài 100m
Phương án Đào hở Đào kín Đào hở Đào kín
Bề rộng hố đào (D
ngoài của khiên đào)
1400mm 760mm 2350mm 1450mm
Bề rộng khôi phục 1700mm Không 2650mm Không
Khối lượng đào trên 1m
công trình ngầm
6,1 m
3
0,5 m
3
10,28 m
3
1,65 m
3

Số lượng cát đá để lấp hào
(tính trên 1m dài)
11,90 tấn Không 18,27 tấn Không
Số chuyến chở bằng xe tải

20 tấn tính cho 100m dài
(chở đất thải đi và chở đá
lấp về)
136 8 220 21
2 Tiêu chuẩn lựa chọn các công nghệ trong kỹ thuật đào kín
Có sáu tiêu chuẩn chính được xem xét liên quan đến việc sử dụng các công nghệ trong kỹ thuật

148
đào kín. Các tiêu chuẩn này bao gồm: các điều kiện hiện trường, đường kính của công trình ngầm, độ
sâu đặt công trình ngầm, chiều dài thi công của công trình ngầm (từ giếng điều khiển đến giếng nhận),
các điều kiện về địa chất và mục đích sử dụng [2, 3].
2.1 Các điều kiện hiện trường
Tiêu chuẩn về các điều kiện hiện tr
ường được xem xét để đánh giá mức độ khó khăn (theo kinh
nghiệm) khi kỹ thuật đào hở được sử dụng. Thí dụ như sự tồn tại các giao cắt giữa công trình ngầm và
sông suối, đường sắt, đường bộ…có thể là một trở ngại đối với việc sử dụng các kỹ thuật đào hở để
thi công. Trường hợp hướng tuyến của các công trình ngầm c
ắt ngang qua các vùng di tích lịch sử,
vùng danh lam thắng cảnh, nếu thi công theo kỹ thuật đào hở thì việc khôi phục lại hiện trạng ban đầu
của các vùng này sau đó sẽ rất khó khăn và tốn kém. Bên cạnh đó, việc đào và lấp mặt đường cũng
làm giảm tuổi thọ của của áo đường, làm tăng chi phí sửa chữa bảo dưỡng mặt đường, ngoài ra nó còn
gây khó khăn cho giao thông, sinh hoạt của người dân sống xung quanh.
M
ột trong những tiến bộ của các công nghệ trong kỹ thuật đào kín là nó gây tác động ít nhất tới
hệ thống giao thông bên trên. Hiện nay khi vấn đề giao thông trở thành một trong những mối quan tâm
chính ở nhiều đô thị, thì đây là một nhân tố quan trọng trong việc lựa chọn các công nghệ trong kỹ
thuật đào kín. Sự phức tạp của mạng lưới tiện nghi công cộng ngầm hiện có cũng nên được nhìn nhận
như là một tiêu chuẩn trong việc lựa chọn các công nghệ trong kỹ thuật đào kín.
2.2 Đường kính của công trình ngầm
Đường kính của công trình ngầm được thi công là một yếu tố để lựa chọn các công nghệ trong kỹ

thuật đào kín. Thí dụ, khoan guồng xoắn có thể được sử dụng để thi công những công trình ngầm có
đường kính thay đổi trong phạm vi từ 200mm đến 1500mm, MicroTunneling có thể được áp dụng khi
đường kính của công trình ngầm thay đổ
i từ 250mm đến 3000mm hoặc hơn nữa Chi tiết xem trong
bảng 2.
Bảng 2: Lựa chọn công nghệ theo đường kính công trình ngầm
Các công nghệ đào kín Phạm vi đường kính áp dụng
Khoan guồng xoắn (AB)
200-1500mm
Khoan định hướng (HDD)
50-1200mm
MicroTunneling (MT)
250-3000mm
Kích đẩy (PJ)
1070- 4200mm
Đóng ống (PR)
100-1500mm
Máy đào hầm (TBM)
Đến 18000mm
2.3 Độ sâu đặt công trình ngầm
Tất cả các công nghệ trong kỹ thuật đào kín đều yêu cầu xây dựng giếng điều khiển và giếng nhận
(
trừ công nghệ khoan định hướng) và đây cũng là một yếu tố để lựa chọn các công nghệ trong kỹ
thuật đào kín. Chi tiết xem trong bảng 3.
Bảng 3: Phạm vi độ sâu lắp đặt có thể áp dụng
Các công nghệ đào kín Phạm vi độ sâu lắp đặt áp dụng
Khoan guồng xoắn (AB)
Thường thay đổi từ 6m đến 30m
Khoan định hướng (HDD)
< 50m

MicroTunneling (MT)
Thường thay đổi từ 6m đến 30m
Kích đẩy (PJ)
Thường thay đổi từ 6m đến 30m

149
Đóng ống (PR)
Thường thay đổi từ 6m đến 30m
Máy đào hầm (TBM)
Thường thay đổi từ 6m đến 30m
2.4 Chiều dài thi công của công trình ngầm
Thông thường, khi chiều dài thi công của công trình ngầm (từ giếng điều khiển đến giếng nhận)
tăng thì kéo theo sự phức tạp và mức độ rủi ro của dự án cũng tăng theo. Chiều dài lớn nhất được xác
định dựa vào công suất của thiết bị đào, loại đất nền, chiều sâu đặt công trình ngầm, đường kính của
công trình ngầm. Tuy nhiên, chiề
u dài thi công nhỏ nhất lại được xác định dựa vào những yếu tố kinh
tế của dự án. Chiều dài thi công quá nhỏ sẽ không kinh tế do giá trị đầu tư về công nghệ là quá cao.
Chiều dài thi công trong công nghệ khoan guồng xoắn thay đổi từ 12m đến 1800m. Chiều dài thi công
trong công nghệ MicroTunneling có thể thay đổi từ 25m đến 225m. Chiều dài thi công trong công
nghệ kích đẩy thông dụng ở Hoa Kỳ từ 300m đến 1050m. Tuy nhiên, việc lựa chọn chiều dài thi công
hợp lý đố
i với các công nghệ đào kín nên theo bảng 4.
Bảng 4: Chiều dài thi công hợp lý đối với các công nghệ đào kín
Các công nghệ đào kín Chiều dài thi công hợp lý
Khoan guồng xoắn (AB) 12-150m
Khoan định hướng (HDD) 12-800m
MicroTunneling (MT) 25-225m
Kích đẩy (PJ) 150-305m
Đóng ống (PR) 12-60m
Máy đào hầm (TBM) Không hạn chế

2.5 Các điều kiện về địa chất
Các điều kiện địa chất cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn công nghệ trong kỹ thuật đào kín.
Do bản chất công nghệ, mỗi công nghệ đều có phạm vi áp dụng phù hợp. Trong các thông số địa kỹ
thuật, giá trị SPT là một thông tin quan trọng để lựa chọn công nghệ thi công phù hợp. Chi tiết xem
trong bảng 5.
Bảng 5: Lựa chọn công nghệ phù hợp trong kỹ thuật đào kín dựa trên giá trị SPT
Loại đất Giá trị SPT (N) AB HDD MT PJ PR TBM
N<5 (mềm) - - + - + +
N = 5-15 (ổn định) + + + + + +
Đất dính (sét)
N>15 (cứng) + + + + + +
N<10 (rời) - - + - + +
N =10-30 (trung bình) + + + + + +
N>30 (chặt) + + + + + +
Đất không dính
(cát hoặc bùn)
Nước ngầm cao N - + - - +
Đá nguyên khối <12ksi <15ksi <30ksi <30ksi N +
Ghi chú: + (kiến nghị sử dụng); - (có thể thích hợp); N (không nên áp dụng).
Khi không có đủ các thông số địa kỹ thuật, có thể dựa vào cách phân loại đất nền như trong bảng
6.


150
Bảng 6: Lựa chọn công nghệ phù hợp trong kỹ thuật đào kín dựa vào phân loại đất nền
Các điều kiện địa chất AB HDD MT PJ PR TBM
Sét mềm cho đến rất mềm, trầm tích hữu cơ và bùn Y Y Y M Y Y
Sét cứng trung bình cho đến rất cứng và bùn Y Y Y Y Y Y
Sét cứng và đá phiến sét bị phong hoá mạnh Y Y Y Y M Y
Cát rời cho đến rất rời bên trên mực nước ngầm M Y Y M Y Y

Cát rời cho đến rất rời bên dưới mực nước ngầm N Y Y N N Y
Cát chặt vừa cho đến rất chặt bên trên mực nước ngầm Y Y Y Y Y Y
Đá tảng và sỏi cuội có đường kính (D) nhỏ hơn 50-100mm Y M Y Y Y Y
Đất lẫn đá tảng, sỏi cuội và những vật cản có D nhỏ hơn
100-150mm
M M M M Y Y
Đá bị phong hoá, các loại đá mềm Y Y Y M M Y
Đá bị phong hoá nhẹ cho đến không bị phong hoá Y M N N M Y
Ghi chú: Y (thường được sử dụng bởi các nhà thầu có kinh nghiệm với các thiết bị thích hợp);
M (những khó khăn có thể xuất hiện, có thể phải có sự điều chỉnh cho thiết bị và quá trình thi
công); N (không nên áp dụng).
2.6 Mục đích sử dụng
Các công trình ngầmđược thi công bởi các công nghệ trong kỹ thuật đào kín thường là các công
trình ngầm cấp thoát nước; các tunnel kỹ thuật (công trình ngầm chứa các đường ống dẫ
n khí gaz,
đường dây điện và dây điện thoại…); các công trình ngầm giao thông Mục đích sử dụng công trình
ngầm cũng là một tiêu chuẩn để lựa chọn công nghệ thi công phù hợp. Chi tiết xem trong bảng 7.
Bảng 7: Lựa chọn công nghệ trong kỹ thuật đào kín dựa theo mục đích sử dụng
Các công nghệ đào kín Mục đích sử dụng
Khoan guồng xoắn (AB) Các công trình ngầm phải qua nhiều loại giao cắt
Khoan định hướng (HDD) Các công trình ngầm cấp nước, các tunnel kỹ thuật…
MicroTunneling (MT) Các công trình ngầm thoát nước
Kích đẩy (PJ)
Các công trình ngầm cấp thoát nước, các tunnel kỹ thuật, các
công trình ngầm giao thông đô thị, các công trình ngầm phải qua
nhiều loại giao cắt
Đóng ống (PR) Các công trình ngầm phải qua nhiều loại giao cắt
Máy đào hầm (TBM) Các công trình ngầm giao thông đô thị
3 Nhận xét và kiến nghị
 Kỹ thuật đào kín có nhiều ưu điểm trong xây dựng các công trình ngầm đô thị, đặc biệt là các

công trình ngầm đô thị đặt sâu.
 Kinh nghiệm thực tế ở nhiều nước phát triển đã chỉ ra rằng, cần áp dụng một cách linh hoạt
nhiều công nghệ khác nhau trong kỹ thuật đào kín vào thực tế xây dựng công trình ngầm, để bảo đảm
tính khả thi về kỹ thu
ật và kinh tế.
 Việc lựa chọn công nghệ phù hợp khi thi công công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín cần dựa

151
vào các yếu tố: điều kiện hiện trường, đường kính của công trình ngầm, độ sâu đặt công trình ngầm,
chiều dài thi công (từ giếng điều khiển đến giếng nhận), điều kiện về địa chất và mục đích sử dụng.
 Mỗi một công nghệ thi công kín đều có những ưu nhược điểm riêng, có những phạm vi áp
dụng nhất đị
nh. Khi áp dụng vào thực tế, ngoài việc căn cứ vào điều kiện thực tế thi công, đặc điểm
công nghệ thi công, rất cần thiết đòi hỏi nhà thầu phải có đủ kỹ thuật, kinh nghiệm trong việc vận hành
công nghệ để bảo đảm thành công của dự án.
 Việc xây dựng các công trình ngầm đô thị ở các thành phố lớn ở Việt Nam như Hà Nội, TP
Hồ Chí Minh
đang là yêu cầu cấp bách. Để áp dụng thành công các công nghệ trong kỹ thuật đào kín
cần được sự quan tâm của các nhà quản lý.
Tài liệu tham khảo
[1]. Bùi Đức Chính và đồng nghiệp (2007), Nghiên cứu công nghệ kích đẩy trong thi công công trình ngầm ở
Việt Nam, Báo cáo tổng kết khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2007 (Mã số : DT074038), Viện Khoa học
và Công nghệ GTVT, Hà Nội, 2007.
[2]. Phạm Thanh Tùng (2008), Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật đào kín (No-dig) trong xây dựng công trình
ngầm ở thành phố Hà Nội, Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Xây dưng, Hà Nội,
2008.
[3]. Abraham D. M., Baik H. S., Gokkale S. (2002),
Development of a Decision Support System for Selection
of Trenchless Technonogies to Minimize Impact of Utility Construction on Roadway, Purdue University,
West Lafayette, IN 47907.

[4].
Harbuck R. H. (2000), “Economic Evaluation of Trenchless Technology”, 2000 AACE Internationnal
Transactions.

[5].
Iseley T. and Gokhale S. (1997), Trenchless installation of conduits beneath roadways, NCHRP
Synthesis 242. Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., 36p.

[6].
U.S. Army Corps of Engineers (1999), Application of Trenchless Technology at Army Installations,
Washington D.C. February 1999.


222
Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Hà Nội, 30/10/2009
Về các vấn đề xử lý kỹ thuật trong quá trình thi công cầu Quảng Hải
- tỉnh Quảng Bình
PGS.TS. Đặng Gia Nải
ThS. Nguyễn Văn Lâm
ThS. Đặng Việt Đức
ThS. Lê Văn Nghĩa
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tóm tắt: Trong quá trình thực hiện Dự án xây dung cầu cầu Quảng Hải tại Quảng Bình, do địa
điểm của địa hình nên đã xảy ra nhiều sự cố kỹ thuật. Trong bài này, với tư cách là tư vấn giám
sát dự án, tác giả đã trình bày tóm tắt các sự cố và các giải pháp giải quyết.
Abstract: During the implementation of Quang Hai Bridge Construction Project in Quang Binh
Province, due to special geotechnical conditions, many technical problems have arisen. As Quality

Control Supervisors, within this paper, the authors summarize these problems and present some
effective solutions.
1. Giới thiệu chung về tình hình hoạt động Tư vấn của Viện Khoa học và Công nghệ
GTVT trên địa bàn tỉnh Quảng Bình trong lĩnh vực xây dựng cầu:
Từ đầu những năm của thập kỷ 90 đến nay trên một số công trình xây dựng cầu thuộc địa bàn tỉnh
Quảng Bình, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã có mặt với chức trách là cơ quan tư vấn theo
yêu cầu của Ngành GTVT và sở GTVT Quảng Bình, cụ thể:
- Tư vấn giám sát (TVGS) xây dựng cầu Quán Hàu- QL1A bằng công nghệ đúc đẩy và đúc hẫng
- Chủ trì công tác vận hành công nghệ đúc đẩy thi công cầu dẫn cầu Quán Hàu (thay thế đơn vị
chuyển giao công nghệ - CHLB Nga)
- TVGS xây dựng cầu sông Gianh bằng công nghệ đúc hẫng
- TVGS xây dựng cầu Sảo Phong bằng công nghệ đúc đẩy
- TVGS xây dựng cầu Nhật Lệ bằng công nghệ đúc hẫng
Với những công trình cầu hoàn thành ch
ất lượng bảo đảm, đáp ứng yêu cầu độ bền khai thác lâu
dài, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT được sở GTVT Quảng Bình tín nhiệm giao tiếp nhiệm vụ Tư
vấn thiết kế (TVTK) dự án cầu Quảng Hải (gồm 2 cầu), đồng thời trực tiếp thực hiện công tác TVGS
và kiểm định 2 công trình cầu này.
2. Về những giải pháp xử lý kỹ thuật ở cầu Quảng Hải
2.1. Giới thiệu Dự án cầu Quảng Hải
Dự án cầu Quảng Hải bao gồm 3 phần chính : Cầu Quảng hải 1(QH1), cầu Quảng hải 2 (QH2) và
gần 1km đường bộ và cống đi qua xã đảo Quảng Hải. Viện Khoa học và Công nghệ GTVT được giao
nhiệm vụ TVTK Cầu QH1 và QH2 . Trong quá trình lập dự án xây dựng, Viện Khoa học và Công
nghệ GTVT kết hợp với công ty TVGT Quảng bình đề xuất phương án xây dựng 2 cầu thay cho
phương án một cầu đã mang lại ý nghĩa to lớn về mặt xã hội đối với các xã đảo và khu vực dân cư hai
bên bờ sông Gianh, vì sau khi có 2 cầu, xã Quảng Hải và gần chục xã trên đảo sẽ nối liền được với

223
QL12A v tuyn giao thụng ng st v phớa tõy, chm dt vnh vin cnh cụ lp do sụng nc ca
vựng t ny, thit thc gúp phn m rng phỏt trin mng li giao thụng ca 2 huyn Qung Trch

v Tuyờn Húa cng nh trờn a bn ton tnh Qung Bỡnh.
phự hp vi iu kin c th v th mnh ca cỏc n v tham gia t vn, quỏ trỡnh thc hin
d ỏn
c phõn cụng m trỏch nhim v nh sau:
- Cụng ty TVGT Qung Bỡnh vi chc trỏch l tng B thit k, thc hin ton b khi lng
cụng vic kho sỏt v o c a hỡnh, thy vn, a cht cụng trỡnh v cỏc hng mc liờn quan.
- Vin Khoa hc v Cụng ngh GTVT m nhn cụng tỏc lp bn v thit k k thut v bn v
thi cụng cho 2 cu trờn c s s liu kho sỏt c
a cụng ty TVGT Qung Bỡnh cung cp
T nhng s liu kho sỏt v cỏc yu t phỏt trin giao thụng thy khu vc cng nh yờu cu cp
thụng thuyn trờn mi nhỏnh sụng, ỏn thit k cu QH1 c thit k thụng thuyn khu nhp
ln (70m) v cu QH2 vi kh thụng thuyn nhp trung 42m. Cu xõy dng vnh cu bng bờ tụng ct
thộp v bờ tụng d ng lc, ti trng thit k
t mc ti a H30,XB80. Ton b h thng múng tr
cu c thit k xõy dng bng cc khoan nhi ng kớnh ln vi ng kớnh 1,2m.
3. Nhng s c k thut xy ra v cc gii phỏp x lý
3.1. V s c sp cc C5 tr T5 cu QH2
Ngy 4/1/2006 trong quỏ trỡnh thi cụng múng tr T5 cu QH2 ó xy ra s c sp cc C5 do gp
phi hang ng Casto. Trờn thc t s c sp múng do hang ng Casto cng ó sy ra trờn mt s
cụng trỡnh xõy dng cu v ú l hin tng khú cú th trỏnh c, c bit khu vc nhy cm nh
vựng lu vc sụng Gianh nhiu lốn, nỳi ỏ vụi tn t
i di dng l thiờn v n ngm. Ngoi ra theo
quy nh ca kho sỏt thỡ mi tr ch tin hnh 2 l khoan kho sỏt a cht, trong khi tr T5 yờu
cu thit k l 8 cc.Vỡ vy vic gp phi hang ng bt c mt cc no ca múng ti khu vc ny l
iu cú th sy ra. Trong nhng trng hp gp phi hang ng cỏch gii quyt th
ng mang li kt
qu l phun va bờ tụng lp y hang sau ú tip tc thi cụng cc múng. Tuy nhiờn sau khi xem xột
li tỡnh hỡnh a cht khu vc cú kt hp vi cỏc s liu kho sỏt õm a chớnh ca cụng ty EGS thỡ nu
c tip tc thi cụng cỏc múng cũn li theo s thit k c thỡ kh nng gp nhiu hang ng Casto l
iu khụng th trỏnh khi. Vic x lý hang ng Casto s phỏt sinh khi lng gõy t

n kộm v cng l
nguyờn nhõn kộo di thi gian thi cụng, gúp phn lm chm tin thi cụng cụng trỡnh. Vỡ vy
phự hp vi tỡnh hỡnh a cht ti v trớ cu QH2 v thit thc nhm rỳt ngn thi gian thi cụng, Vin
Khoa hc v Cụng ngh GTVT nht trớ vi c quan ch u t cho chuyn i phng ỏn t cc
khoan nhi sang úng cc (PA thng b s dng dm BTDUL gin n). Phng ỏn mi cho phộp
s d
ng nhiu cc úng ( kớch thc 40cm x 40cm ), cao ỏy cc c t lờn cao so vi cao
ca tng ỏ (s liu ca EGS) vỡ vy trỏnh c s c gp hang ng Casto nm phớa di. Vic thay
i phng ỏn phn no ú phự hp vi nng lc trang thit b v trỡnh thi cụng ca nh thu a
phng vỡ vy trờn thc t ó y nhanh tin thi cụng (xong trc c
u QH1).
3.2. V mt s gii phỏp k thut cu QH1

Đờng cong đứn g R=6000m
L=360.00m
9.27
9.30
9.45
9.53
9.81
8.91
9.18
8.02
8.07
7.06
2
.
6
1
%

8.74
45000
376200
12 cọc khoan nhồi D1.2m
Chuỗi liên tục nhiệt
40000
6 cọc khoan nhồi D1.2m
100
8000
10000
40000
Chuỗi liên tục nhiệt
Bố trí chung cầu
70000
12 cọc khoan nhồi D1.2m
50000
7000
8000
100
10000
6 cọc khoan nhồi D1.0m
Quảng ho
Đuôi mố

Tl 1:1300
45000
4200
4000040000
6 cọc khoan nhồi D1.0m
9.27

9.45
Quốc Lộ 12A
Đuôi mố

40000
6 cọc khoan nhồi D1.2m
6 cọc khoan nhồi D1.0m
6 cọc khoan nhồi D1.2m

Hỡnh 1. S b trớ cu QH1
- T bi hc kinh nghim ca cu QH2 v cn c cỏc s liu kho sỏt õm a chớnh ca EGS, c
quan t vn (Vin Khoa hc v Cụng ngh GTVT) ó xem xột kim tra phng ỏn múng cc cu

224
QH1 v khng nh vn gi nguyờn phng ỏn nh s thit k c ( hỡnh 1) vỡ theo EGS tng ỏ vụi
cũn nm sõu di ỏy cỏc cc > 7m.
Tuy nhiờn bo m an ton, trỏnh c hang ng Casto, trong thi cụng cc sau khi t cao
ỏy cc theo yờu cu thit k , TVTK yờu cu trc khi bờ tụng cho khoan kim tra a cht di
mi cc xung sõu t 3-5m nhm kho sỏt kim tra chớnh xỏc v s tn ti c
a hang ng.
- iu chnh cao ỏy b
Đuôi mố
40000
6 cọc khoan nhồi D1.2m
2500
4200
3000
2000
2000
4000040000

6 cọc khoan nhồi D1.0m
1800
2000
1800
40000
Chuỗi li ên tục nhiệt
Bố trí chung cầu
70000
12 cọc khoan nhồi D1.2m
50000
3000
7000
Tl 1:1300
45000
6 cọc khoan nhồi D1.0m
6 cọc khoan nhồi D1.2m
2000
2500
7175
7819
22182
45000
376200
12 cọc khoan nhồi D1.2m
Chuỗi liên tục nhiệt
40000
6 cọc khoan nhồi D1.2m
100
8000
6

cọc khoan nhồi D1.2m
10000
8000
100
10000
6 cọc khoan nhồi D1.0m
Quảng ho
Đuôi mố

Hỡnh 2. Kt cu cụng trỡnh cu QH1 sau khi c iu chnh cao ỏy b
Do thay i nh thu thi cụng, nh thu mi cha iu kin nng lc thi cụng h múng sõu vỡ
vy ch u t ngh TVTK xem xột iu chnh nõng cao ỏy cỏc b tr T3,T4,T5,T6 phự hp
vi kh nng ca nh thu vi cỏc thụng s thit k thay i nh sau:
+ Cao
nh b thp hn mc nc thp nht l 0,38m
+ S lng cỏc cc trong tr khụng thay i
Vn nõng cao ỏy b lm thay i s lm vic ca h kt cu múng cc, theo ú bi toỏn
tớnh múng cc i thp chuyn sang bi toỏn tớnh múng cc i cao. Bng h thng phn mm FB-pier
(ca M) TVTK ó khai thỏc tớnh toỏn sc chu ti ca cc v mụ men tn ti
u cc. Kt qu l phi
b trớ tng cng ti v trớ 1/3 chiu di cc(phn tip giỏp vi b) vi lng thộp gp 1,5 ln so vi
phng ỏn c. Bờn cnh ú TVTK yờu cu nh thu li ng vỏch dựng lm vỏn khuụn bờ tụng
phn cc khoan nhi ngp trong nc. Mc du khi lng vt liu thộp tng nhng trờn thc t do
khụng phi thi cụng sõu ~ 10m nờn lm gi
m tớnh phc tp ca k thut , to iu kin cho nh
thu s dng cỏc thit b mỏy múc thi cụng truyn thng qua ú rỳt ngn thi gian thi cụng v an ton
cụng trỡnh. nhm nõng cao tin cy ca phng ỏn iu chnh, TVTK ó yờu cu ch u t cho
th 1 cc bng PDA (phng phỏp th ng ỏnh giỏ kh nng chu lc ca cc múng).
7
6

D = 20
8
tỷ lệ 1/0
D = 28
D = 32
d = 10
Mặt cắt 2 - 2

Hỡnh 3. Cc khoan nhi ti khu vc tip giỏp vi b tr

225

- Xử lý cọc C3 trụ T3
Trong quá trình thi công cũng do năng lực và thiết bị thi công của Nhà thầu, đã xảy ra sự cố cọc
C3 của Trụ T3 bị hỏng. Để đảm bảo tiến độ thi công, trụ cần phải thi công xong trước mùa mưa lũ,
TVTK đã vào hiện trường trực tiếp giải quyết sự cố. TVTK đã phân tích nhiều phương án (kể cả
phương án sửa chữa từng phần hư hỏng như
ở cầu Thanh Trì) và cuối cùng chọn phương án hủy bỏ
cọc hỏng, đồng thời mở rộng bệ, bố trí thêm 1 cọc mới thay thế trên cơ sở bảo đảm khả năng chịu tải
theo yêu cầu thiết kế (hình 4) và nhà thầu chịu chi phí cho cọc khoan thêm.
Th−îng l−u
QL 12A (Mè M0)
Qu¶ng Hoμ (Mè M8)
H¹ l−u
Th−îng l−u H¹ l−u
QL 12A (Mè M0)
Qu¶ng Hoμ (Mè M8)
Bá
C3'
C1

C2
C3
C4

Hình 4. Giải pháp mở rộng bệ trụ để bổ sung cọc mới thay thế

Hình 5. Một số kết quả tính toán theo FB-Pier

226

- Xử lý đà giáo thi công khối 9.0m
Theo bước thiết kế bản vẽ thi công, TVTK đưa ra phương án thi công khối 9.0m (sát trụ T5),
theo đó đà giáo phục vụ đúc dầm bê tông đề được đặt trên hệ cọc chống đỡ BTCT (40cmx40cm) đóng
xuống sông(hình 6a). Với phương án này cọc BTCT liên kết với đà giáo và bệ trụ tạo thành một hệ kết
cấu siêu tỉnh nội vững chắc trên sông. Trước khi đưa vào sử dụng h
ệ kết cấu được thử tải khử lún theo
quy định. Nhưng do năng lực thi công yếu, thiếu phương tiện đóng cọc trên sông nên nhà thầu đề xuất
phương án tận dụng bệ trụ (đã được nâng cao) để đặt toàn bộ cọc chống (hình6b) thay vì đóng cọc trên
sông. Giải pháp nhà thầu đề xuất nhìn chung có tính hợp lý vì trên thực tế do không đóng cọc trên
sông nên bảo đảm được thông thoáng lòng sông trong quá trình thi công và giảm chi phí đóng cọ
c.
a) b)

Hình 6. a) Phương án thiết kế cũ; b) Phương án đề xuất của nhà thầu
Tuy nhiên sau khi thẩm định phương án của nhà thầu, TVTK thấy phương án không bảo đảm độ
an toàn cao vì độ cứng chống uốn của trụ chưa đạt mức tối đa khi chịu đủ tải trọng đoạn dầm bê tông,
cụ thể: Với tổ hợp bất lợi theo yêu cầu của quy trình thì đã có xuất hiệ
n gây nứt giữa phần tiếp giáp
giữa bệ trụ và thân trụ (do tải trọng lệch tâm lớn). Để giảm bớt một phần tải trọng lệch tâm, TVTK đã
cho sử dụng xe đúc đặt phía bên cánh hẫng đối diện để nâng một phần lực phía đà giáo đúc dầm.

Phương án này tỏ ra rất thuận lợi vì xe đúc hẫng phía đối diện đã thi công xong trước đó (hình 7).















Hình 7. Phương án điều chỉnh của TVTK

227

Mặc dầu vậy TVTK cần phối hợp với nhà thầu trong việc bố trí vận hành các giai đoạn công nghệ
đổ bê tông và căng thanh treo , sao cho trên thực tế một phần tải trọng dầm bê tông được truyền lên xe
đúc hẫng để truyền tiếp tục lên cánh dầm phía đối diện. Để thực hiện đạt mục tiêu đặt ra, TVTK cùng
với nhà thầu thống nhất chia công việc đổ bê tông thành 2 giai đoạn, giai đo
ạn 1 đổ phần đáy và một
phần thân dầm, giai đoạn 2 đổ phần còn lại (phần bản mặt hộp và thân dầm ). Sau khi đổ xong giai
đoạn 1 cho căng 2 thanh treo ( mỗi thanh 20T) sau đó tiếp tục đổ giai đoạn 2. Với cách tổ chức như
vậy nhà thầu đã bảo đảm an toàn công trình trong quá trình thi công và trên thực tế không để sẩy ra
một sai sót và sự cố nào.
4. Kết luận

Sau gần 6 năm triển khai Dự án cầu Quảng Hải, ngày 29/8/2009 toàn bộ các gói thầu sau khi
được đánh giá nghiệm thu đã được đưa vào sử dụng, trong đó có cầu QH1 và cầu QH2. Qua quá trình
xây dựng 2 cầu, đội ngũ cán bộ tham gia TVTK đã có bước trưởng thành. Với tinh thần trách nhiệm
cao trước các sự cố công trình sẩy ra chúng ta đã bình tĩnh xem xét, kết hợp với cơ quan chủ đầu tư
nhằm đưa ra các phương án giải quyế
t sự cố có cơ sở khoa học chắc chắn và thật sự hiệu quả. Cũng từ
2 công trình cầu Quảng Hải chúng ta đã rút ra nhiếu bài học về lý thuyết và thực tiễn, đặc biệt những
kinh nghiệm quý giá khi triển khai những dự án xây dựng cầu nằm trong vùng địa chất có hang ngầm
đá vôi ẩn dấu và điều kiện thi công của nhà thầu yếu kém.









228
Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Hà Nội, 30/10/2009
Một số vấn đề về tác động của gió và giải pháp thiết kế kháng gió cho
cầu hệ dây
KS. Hoàng Thanh Nam
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Tóm tắt: Bài viết này trình bày về một số đặc điểm về số liệu gió trong thiết kế cầu dây văng ở
Việt Nam, một số khái niệm cơ bản về các hiện tượng khí động cần thiết trong thiết kế và giải pháp
thực tiễn trong sức kháng gió cho cầu nhịp lớn được áp tại một số cầu ở Nhật Bản
Abstract: This paper presents some features of wind data in design of cable stayed bridges in

VietNam, some basic concepts of dynamic phenomena required in design and practical solutions
in wind resistance in long span bridge applied in some bridges in Japan.
1. Giới thiệu
Kết cấu cầu dây văng là loại hình kết cấu hiện đại được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới do có
nhiều ưu điểm về khả năng vượt khẩu độ lớn và kiến trúc đẹp. Ở Việt Nam, loại hình kết cấu này cũng
rất được chú trọng nghiên cứu và áp dụng thể hiện qua việc nhiều công trình cầu dây văng quy mô lớn
đã đang và sẽ
được xây dựng. Triển vọng và nhu cầu xây dựng cầu khẩu độ lớn ở nước ta là rất lớn, vì
vậy việc nhanh chóng nắm bắt các đặc điểm thiết kế cũng như công nghệ thi công các loại cầu trên là
điều hết sức cần thiết trên con đường hiện đại hóa đất nước.
Một trong số những yếu tố đặc biệt quan trọng trong thiết kế cầ
u dây treo nhịp lớn là khả năng
thiết kế sức kháng gió bao gồm xác định được các đặc trưng của gió dùng trong thiết kế, đánh giá các
hiện tượng khí động học cơ bản trong thiết kế cầu dây treo nhịp lớn cũng như đề xuát được các biện
pháp kiểm soát tác động của gió. Bài viết này sẽ trình bày một cách khái quát về các vấn đề trên và
giới thiệu một số giải pháp thiết kế s
ức kháng gió đã được thực hiện tại Nhật Bản
2. Số liệu về gió trong thiết kế cầu dây văng ở Việt Nam
2.1. Số liệu gió được lưu giữ tại trạm quan trắc theo tiêu chuẩn 94-TCN6-90:
Hiện ở Việt Nam có 168 trạm khí tượng bề mặt, gồm có: 57 trạm hạng I, 68 trạm hạng II và 43
trạm hạng III. Trong đó có 122 trạm synop; 46 trạm khí hậu; 13 trạm đo bức xạ mặt trời và 25 trạm
phát báo quốc tế. Ngoài ra còn có 393 điểm đo mưa nhân dân. Theo tiêu chuẩn này, nội dung quan trắc
phổ thông tại trạm khí tượng bao gồm hướng gió trung bình 2 phút hay 10 phút, tốc độ gió trung bình
2 phút hay 10 phút ứng với hướng gió trung bình, tốc độ gió lớn nh
ất và hướng tương ứng trong 2 phút
hay 10 phút, giữa hai lần quan trắc liền kề, đặc điểm của tốc độ gió là đều hay giật và đặc điểm của
hướng gió là định hướng hay thay đổi. Ở Việt Nam tại các trạm quan trắc khí tượng máy đo gió phổ
biến là máy Vild. Loại máy này có đặc điểm là tốc độ gió được ước định theo bảng. Tại răng 7 trên
bảng nhẹ cho tố
c độ gió >20m/s, đối với bảng nặng cho tốc độ gió >40m/s nhưng không xác định

được cụ thể là bao nhiêu. Đây chính là nhược điểm của lọai máy này
2.2. Số liệu gió theo TCVN4088-1985
Theo tiêu chuẩn này, số liệu về gió và một số số liệu khí hậu khác được xây dựng trên cơ sở các
trạm quan trắc trong nhiều năm của các đài khí tượng thủy văn. Các số liệu về gió được cho trong các
bảng t
ừ G1-G6 của tiêu chuẩn này.
+) Bảng G1 cho số liệu vận tốc gió trung bình (m/s) trong từng tháng và cả năm của 59 trạm quan
trắc trên cả nước.

229
+) Bảng G2 cho số liệu tần suất (%) vận tốc gió trung bình các hướng gió ứng với các tháng trong
năm.
+) Bảng G3 cho vận tốc gió cực đại (m/s) dự kiến có thể xảy ra theo chu kỳ lặp 5, 10, 20,30,50
năm tại 83 trạm quan trắc trong cả nước.
+) Bảng G4 cho tần suất các cấp tốc độ gió từ 1-36m/s tại 23 trạm quan trắc trong cả nước.
+) Bảng G5 cho số liệu về quan hệ giữa tần su
ất, nhiệt độ, vận tốc gió với hướng gió, lượng gió,
tính trung bình ban ngày hoặc ban đêm trong thời gian 12 tháng tại 21 trạm phía Bắc
+) Bảng G6 cho số liệu số ngày có gió khô nóng tại 45 trạm quan trắc.
Như vậy, muốn có số liệu chi tiết và chính xác hơn thì cần phải sử dụng các số liệu lưu trữ nhiều
năm tại các tram quan trắc ở địa phương hoặc tại Tổng cục khí tượng thủ
y văn. Tuy nhiên, do yếu tố
lịch sử, chuỗi số liệu lưu trữ của ta thường không vượt quá 40 năm. Ví dụ khi thiết kế cầu Bãi Cháy
năm 1999, chuỗi số liệu gió liên tục thu được tại trạm Hòn Gai và trạm Bãi Cháy chỉ có trong khoảng
32 năm. Người thiết kế phải dùng đồ thị đường cong phân bố Weibull để dự báo chu kỳ lặp đến 50
năm và 100 năm của các vận tốc gió l
ớn nhất có thể xảy ra
Bảng 1. Tốc độ gió cơ bản dùng trong thiết kế một số cầu ở Việt Nam.

STT Tên cầu Địa điểm V10,10

(m/s)
Ghi chú
1 Cầu Rạch Miễu Mỹ Tho – Tiền Giang 30 Chu kỳ lặp 100 năm
2 Cầu Cần Thơ Cần Thơ 40 Chu kỳ lặp 100 năm
3 Cầu Mỹ Thuận Vĩnh Long 26 (33) Chu kỳ lặp 50 năm. Trong
ngoặc là chu kỳ lặp 2000
năm
2.3. Số liệu gió theo TCVN 2737-1995 Tải trọng và tác động
Tiêu chuẩn này chỉ đề cập đến các tải trọng gió bên cạnh các loại tải trọng khác dùng trong thiết
kế mà không thể hiện đầy đủ các quy định liên quan đến hiện tượng dao động sinh ra do tác động của
gió.
2.4. Số liệu gió theo 22TCN 272-05
Đây là tiêu chuẩn ngành dành cho thiết kế cầu. Chương 3 đề cập đến tải trọng và hệ số tải trọng.
Tuy nhiên, tiêu chuẩn chỉ quy định các tải trọng gió nằm ngang tác dụng vào các công trình cầu thông
thường. Đối với các kết cấu nhịp lớn hay kết cấu nhạy cảm đối với gió như cầu treo dây võng, cầu dây
xiên cần có những khảo sát, nghiên cứu đặc biệt về môi trường khí hậu đối với gió và thí nghiệm trong
các tunen gió để xác định các tác động của gió trong thiết kế. Tiêu chuẩn không đề cập chi tiết đến các
quy định v
ề tải trọng gió động cũng như các hiệu ứng động học của kết cấu cầu dây.
3. Các hiện tượng khí động cần tính trong thiết kế
Trong thiết kế sức kháng gió cho cầu dây treo, các thông số sau có liên quan và ảnh hưởng đến
các hiệu ứng khí động trong cầu dây văng:
- Các đặc tính của gió tại điểm xây dựng (vận tốc gió thiết kế, cường độ rối của gió)
- Đặc tính xoắn của cầu
- Tổng độ rộng của cầu
- Trọng lượng của cầu
Theo tài liệu “Thiết kế sức kháng gió cho cầu đường bộ Nh
ật Bản”, đối với cầu thép, các điều
kiện sau là một trong các điều kiện để xem xét. Ứng với các tiết diện khác nhau, các hiện tượng khí

230
động khác nhau sẽ cần phải được tính đến trong thiết kế. Ví dụ trong điều kiện dưới đây, thì hiện
tượng dao động tròng trành uốn cần phải được xem xét trong thiết kế.

15.0,350 <>
u
I
B
LUd

Ở đây L là độ dài nhịp lớn nhất; Ud là vận tốc gió thiết kế; B là độ rộng chắn gió của dầm; Iu là
cường độ rối của vận tốc gió. Theo công thức trên, trong thiết kế sức kháng gió với những cầu có độ
dài nhịp lớn nhất vượt quá 100m, vận tốc gió thiết kế vượt quá 35m/s, cường độ rối của vận tốc gió
nhỏ hơn 0.15 (ứng với các vùng đấ
t bằng phẳng hoặc trên mặt biển) thì bề rộng chắn gió của dầm cầu
không được vượt quá 10m.
Cầu dây văng và cầu dây võng thuộc dạng cầu có khẩu độ lớn, và do đó chu kì dao động cũng
lớn. Nhìn vào đặc trưng phổ năng lượng vận tốc có thể dễ dàng nhận thấy rằng các kết cấu có chu kì
dao động lớn (tức tần số dao động nhỏ) sẽ ph
ản ứng mạnh hơn dưới tác dụng của gió. Do cầu dây văng
và cầu dây võng có đặc tính sức kháng gió yếu nên trong quá trình thiết kế cần kiểm soát chặt chẽ các
hiệu ứng động học.

Hình 1. Mối quan hệ giữa tần số dao động và phổ năng lượng vận tốc.
Các hiện tượng khí động học cần xét đến trong tính toán
Dao động giới hạn
1. Dao động rung-lắc (Buffeting)
2. Dao động xoáy khí (Vortex-induced oscillation)
3. Hiệu ứng tương tác do mưa gió (Rain-wind induced vbration)
4. Dao động giật (Wake induced vibration)

Dao động không giới hạn
1. Dao động lên xuống (Galloping)
2. Dao động tròng trành
(Flutter)
3. Dao động phát tán (Divergency)
Theo tài liệu “Thiết kế sức kháng gió cho cầu đường bộ Nhật Bản”, việc đánh giá tính cần thiết
của công tác thiết kế chống gió động học cho cầu dây dựa trên các đặc điểm cơ bản sau:
Bảng 2: Đánh giá tình cần thiết của việc thiết kế chống gió động học
Loại cầu Điều kiện cần thiết cho thi
ết kế chống gió động học
Các hiện tượng có khả
năng xuất hiện
Cầu giàn LxUd / B > 350 Dao động phát tán xoắn

231
LxUd /B > 350 Dao động phát tán xoắn
LxUd / B > 330 và B/d < 5 và Iu < 0,15 và cầu thép Dao động phát tán võng
Mặt cắt
hở
LxUd / B > 200 và Iu < 0,20 Dao động xoáy khí
LxUd / B > 520 Dao động phát tán xoắn
LxUd / B > 330 và B/d < 5 và Iu < 0,15 và cầu thép Dao động phát tán võng
Dầm có bản
bụng đặc
Mặt cắt
kín
LxUd / B > 200 và Iu < 0,20 Dao động xoáy khí
Với: L: Chiều dài nhịp lớn nhất
B: Tổng chiều rộng
d: Chiều cao có hiệu

Ud: Tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế
Iu: Cường độ hỗn loạn của luồng khí
3.1. Dao động rung lắc
Dao động rung-lắc là hiện tượng dao động cưỡng bức của kết cấu do tác dụng rối của gió.
Độ lớn của dao động tỉ lệ với bình phương vận tốc r
ối của gió. Kết cấu cầu có thể bị sập khi tác
dụng của gió vượt quá giới hạn chịu lực của cầu, hoặc do hiện tượng mỏi. Trong hiện tượng này,lực
tác dụng lớn nhất lên công trình là lực tác dụng theo phương ngang vuông góc với mặt cầu và nằm
trong mặt phẳng ngang. Lực tác dụng theo phương thẳng đứng và theo phương xoắn vuông góc với
trục cầu khá nhỏ so với lự
c tác dụng theo phương ngang nên nhiều khi có thể bỏ qua trong tính toán.
Lực tác dụng lên kết cấu gây bởi hiện tượng dao động rung-lắc được tính như sau:
Tổng tác dụng = Tác dụng tĩnh+ Tác dụng động
Trong thiết kế, người ta cần phải tính toán sao cho tổng tác dụng lớn nhất gây bởi tác dụng tĩnh và
tác dụng động không vượt qua giá trị thiết kế cho phép của kết cấu.

Hình 2.Biến thiên vận tốc của gió kéo theo sự biến thiên lực tác dụng lên kết cấu.
3.2. Dao động xoáy khí
Dao động cuộn xoáy là hiện tượng dao động cộng hưởng khi tần số của xoáy tạo ra bởi công
trình, còn gọi là xoáy Karman, trùng với tần số dao động của công trình

232

Hình 3. Cơ chế phát sinh dao động cuộn xoáy.
Vận tốc Uv (là vận tốc tại đó xuất hiện dao động cuộn xoáy) được xác định theo công thức:
t
v
S
fD
U =

Trong đó f: Tần số dao động riêng của công trình, D: Bề rộng công trình; St: Hệ số Strouhal
3.3. Dao động tròng trành
Dao động tròng trành là hiện tượng dao động kết hợp xoắn và uốn dưới tác dụng của gió. Khi gió
đạt tới một vận tốc tới hạn, dao động nhận được năng lượng của luồng khí làm cho biên độ tăng dần và
dẫn đến kết cấu bị phá hủy. Dưới tác dụng của gió theo phương ngang, v
ật sẽ vừa dao động theo
phương thẳng đứng vừa dao động theo phương ngang.
Năm 1940, cầu Tacoma ở Mỹ (chiều dài nhịp 853m, tại thời điểm đó dài thứ ba thế giới) đã bị
phá hoại bởi sự mất ổn định do dao động tròng trành. Vận tốc gió lúc đó đạt 19m/s
3.4. Hiệu ứng tương tác do mưa gió
Nguyên nhân của dao động này là do khi có mưa, những dòng chảy xuất hiệ
n dọc theo thân dây
cáp Nó được hình thành dựa trên sự cân bằng giữa trọng lực, các mao mạch và lực khí động học. Thực
tế là các hạt nước làm thay đổi hình học mặt cắt ngang của cáp do đó làm thay đổi lực khí động tác
dụng lên cáp. Sự xuất hiện của các dòng chảy tạo ra sự chênh lệch về lực tác dụng lên bề mặt trên và
bề mặt dưới của cáp khiến cho dây cáp dao động theo phương thẳng đứng.

Hình 4. Hiệu ứng tương tác do mưa gió
3.5. Hiệu ứng dao động giật
Dao động giật là hiện tượng dao động khi dòng khí rối xuất hiện do ảnh hưởng của vật thể đứng
phía trước, tác động vào vật thể đứng phía sau gây ra.

233

Hình 5. Hiệu ứng dao động giật
4. Các giải pháp thiết kế kháng gió
Các phương án trên được chia thành hai nhóm chính: phương án thiết kế sức kháng gió cơ học và
phương án thiết kế sức kháng gió khí động học.
4.1. Giải pháp thiết kế sức kháng gió cơ học

Phương án sức kháng gió cơ học bao gồm; a) Tăng khối lượng của kết cấu; b) Tăng độ cứng của
kết cấu; và c) Tăng khả năng giảm chấn của kết cấu.
a) Tăng khối lượ
ng kết cấu:
Biện pháp tăng khối lượng kết cấu không phải là giải pháp mang tính thực tế cao. Xét về mặt lí
thuyết, trong công thức dưới đây, số Scruton Sc là đại lượng biểu diễn cho sự giảm chấn của kết cấu.
Ta có thể thấy, nếu như trọng lượng tăng lên hai lần thì hệ số biểu thị cho sự giảm chấn của kết cấu
cũng t
ăng lên 2 lần
2
D
m
S
c
ρ
δ
=
Ở đây, m là khối lượng; δ là hệ số giảm chấn của công trình; ρ là mật độ không khí.
b) Tăng độ cứng cho kết cấu
Ngoài việc tăng độ cứng của các bộ phận của kết cấu, việc sử dụng các trụ cầu trung gian sẽ làm
tăng tần số dao động riêng của cầu, do đó, làm tăng vận tốc xuất hiện hiện tượng dao
động do cuộn
xoáy cũng là một phương pháp thường được sử dụng. Theo đó, vận tốc xuất hiện dao động xoáy được
tính theo công thức:
t
S
fD
U =

Trong đó, f là tần số dao động; U là vận tốc xuất hiện dao động xoáy; St là hệ số Strouhal (có giá

trị không đổi với các hình dạng mắt cắt, là đại lượng biểu thị sự xuất hiện của các cuộn xoáy).
Có thể thấy, nếu như tần số dao động riêng của kết cấu tăng lên, vận tốc mà tại đó xuất hiện dao
động xoáy U cũng sẽ tăng lên, do đó, làm giả
m nguy cơ xuất hiện dao động xoáy. Một trong những ví
dụ tiêu biểu của phương án này là việc sử dụng bộ phận liên kết (spacer) các dây cáp xiên lại với nhau.
Khi đó, các dây cáp sẽ không thể dao động riêng lẻ, và sự lệch pha trong dao động của các dây cáp sẽ
triệt tiêu dao động của nhau. Tuy nhiên, phương án này có nhược điểm là do các cáp văng dao đông
liên tục, dẫn đến lực căng trong dây liên kết biến đổi liên tục, khiến cho hai đầu c
ủa dây liên kết chóng
bị hỏng do hiện tượng mỏi. Để khắc phục hiện tượng này, người ta không sử dụng các dây liên kết mà
đưa vào đây các bộ giảm dao động
c) Tăng tính giảm chấn cho kết cấu
- Sử dụng bộ tắt dao động dạng chêm nhằm làm giảm tác động của hiện tượng dao động giật, dao
động do mưa gió, dao động do xoáy. Việc sử dụng phương án này có ưu đi
ểm là tính năng chống gió
rất cao (vì được bố trí tại các vị trí có biên độ dao động lớn nhất), tuy nhiên, vị trí bố trí này có nhược
điểm là rất bất tiện trong việc sửa chữa, thay thế.

234
Biªn ®é dao ®éng th¸p m« h×nh(mm)
Tèc ®é giã thËt
KÝ hiÖu
Ph¹m vi g¾n bé lÖch t©m
0
h/3
h/2
h
CÇu thËt l = 2l/3
Tèc ®é giã tÝnh ®æi
2

4
6
8
10
12
14
0
0102030405060708090
0
0
20
40
60
80
100
10 20 30 40 50
Biªn ®é dao ®éng th¸p cÇn thiÕt(cm)
l
h
B=39.1mm
D=46.9mm

Hình 6. Bộ tắt dao động dạng chêm áp dụng trong cầu Hisuishijima
- Sử dụng bộ tắt dao động bố trí tại đầu ra của dây cáp. Việc sử dụng phương án này có nhược điểm
là tính năng chống dao động yếu nhiều so với phương án trên nhưng lại dễ dàng trong việc sửa chữa,
thay thế trong trường hợp hỏng hóc.

Hình 7. Bộ tắt dao động bố trí tại đầu ra của bó cáp
c) Sử dụng hệ cản khối lượng TMD vào tháp cầu để hạn chế dao động xoáy tại tháp cầu

Hình 8. Mô hình hóa hệ cản khối lượng TMD Hình 9. Hiệu quả của hệ cản khối lượng TMD
4.2. Giải pháp thiết kế sức kháng gió khí động học
Giải pháp thiết kế sức kháng gió khí động học được thực hiện nhằm đạt được một hoặc nhiều
trong các mục đích sau:
- Làm cho các cuộn xoáy khó xuất hiện
- Điều chỉnh một cách chủ động sự xuất hiện của các cu
ộn xoáy
- Phá sự xuất hiện một cách chu kì của sự xuất hiện các cuộn xoáy nhằm hạn chế sự cộng
hưởng

235
Để thực hiện các giải pháp trên, sự kết hợp giữa việc điều chỉnh hình dạng tiết diện công trình và
việc điều chỉnh dòng khí gây bởi gió là việc cần thiết. Do đó, việc kiểm tra bằng thí nghiệm khí động
học là điều kiện tối cần thiết.
a) Làm cho các cuộn xoáy khó xuất hiện
Các góc sắc nhọn của kết cấu sẽ dễ dàng trở thành nơ
i làm cho các cuộn xoáy dễ phát sinh. Do
vậy, để hạn chế sự xuất hiện của các cuộn xoáy, người ta thiết kế hình dạng kết cấu sao cho theo hình
dạng khí động học (giống như cánh máy bay), khi đó, sức cản đối với dòng khí sẽ giảm đi đáng kể
(Hình 10)
b) Giải pháp điều chỉnh chủ động sự xuất hiện của các cuộn xoáy
Đây là giải pháp hạn chế s
ự xuất hiện của các cuộn xoáy xuất hiện tại các góc của bề mặt tiết diện
kết cấu bằng cách điều chỉnh sự lưu chuyển của dòng khí lưu. Một trong những giải pháp điển hình là
việc sử dụng các mái điều chỉnh khí lưu (flap) tại các mép của dầmcầu (Hình 11)

Hình10. Kết cấu dạng khí động học trong cầu Yokohama Hình11. Gi
ải pháp điều chỉnh chủ động
c) Phá tính chu kì của sự xuất hiện các cuộn xoáy nhằm hạn chế sự cộng hưởng:
Nhằm hạn chế tác động cuộn xoáy tác động vào dây cáp, cáp treo,…, người ta tạo ra độ nhám
trên bề mặt dây cáp, khiến cho các cuộn xoáy không thể xuất hiện một cách có chu kì, và do đó, khó
tạo ra hiện tượng dao động cộng hưởng Ví dụ đối với trường hợp cầu Tatara, các dòng nước mư
a ổn
định chạy dọc theo dây cáp là nguyên nhân gây ra hiện tượng dao động do mưa-gió, do đo, để cản trở
tính ổn định của dòng nước mưa, người ta sử dụng các nốt gồ được bố trí ngẫu nhiên trên bề mặt cáp.
Trong trường hợp cầu Akashi, trong quá trình thi công, người ta phát hiện ra hiện tượng dao động giật
xuất hiện tại các cáp treo, và để khắc phục, các dây cáp leo hình xoắn ốc được bố trí xung quanh các
cáp treo (khoảng cách của các dây cáp leo d
ựa trên các kết quả thí nghiệm khí động học).



Hình 12. Dây cáp bề mặt nhám tại cầu Tatara Hình 13. Thi công cuốn các dây cáp leo cầu Akashi

236
5. Kết luận và kiến nghị
Ngày nay, việc xây dựng các cầu khẩu độ lớn càng trở nên phổ biến, kèm theo đó là kết cấu càng
thanh mảnh và rất nhạy cảm với các tác động của gió. Trong điều kiện như vậy, để kiểm soát một cách
bài bản vấn đề gió khi thiết kế, cần có những nghiên cứu chuyên sâu về các vấn đề động học trong
thiết kế cầu dây cũng như cần có các chỉ dẫn thiế
t kế cụ thể.
Tài liệu tham khảo

[1] Hướng dẫn thiết kế sức kháng gió cho cầu đường bộ Nhật Bản (1991).
[2] U.Peil & O.Dreyer : “Rain-wind inđuce vibrations of cables in laminar and tubulent flow “.
[3] Site:

[4] Website Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn trung ương www.nchmf.gov.vn.

[5] Đinh Quốc Kim (2004). Vấn đề gió trong thiết kế cầu có độ mảnh lớn.
237
Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009
Viện Khoa học và Công nghệ GTVT
Hà Nội, 30/10/2009
Hiện trạng của vấn đề xói cục bộ trụ cầu qua sông
PGS.TS. Trần Đình Nghiên
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt. Báo cáo trình bày tổng quan vấn đề xói cục bộ bao gồm cơ chế xói, yếu tố ảnh
hưởng đến xói, công thức dự đoán xói, phân tích số liệu đo trong phòng và hiện trường, chỉ
ra phạm vi giới hạn của một số công thức tiêu biểu và lời khuyên đối với kỹ sư quan tâm tới
vấn đề xói khi thực hành.
Abstract. A “state of the art” report on the problems of local scour at bridge piers is given
here. After description of the scouring process, mechanism of local scour, scouring
parameters, practical formulae for design, analysis of experimental and field data, a set of
limitations of selected equations and guidance to engineers concerned with scour at bridge
piers in practice is presented.
1. Giới thiệu chung
Xói lở là sự hạ thấp cao độ đáy sông ở gần hay xung quanh chân công trình trong dòng nước
chảy, chẳng hạn như xói quanh trụ, mố cầu, đầu đê hướng dòng, kè bảo vệ bờ và chân các vật
cản khác trong sông do sự gia tăng tốc độ cục bộ, ứng suất tiếp cục bộ tại chân công trình. Trong
ngành cầu đường việc đánh giá, xác định chính xác chiều sâu xói dưới đáy sông tại chân trụ, mố
rất quan tr
ọng vì nó quyết định đến cao độ đáy móng công trình, đảm bảo công trình làm việc an

toàn trong mùa lũ. Vấn đề xói cục bộ được sự quan tâm đông đảo của kỹ sư cầu đường và nhà
quản lý của tất cả các nước. Vấn đề được quan tâm bởi vì:
(i) Chưa có hiểu biết đầy đủ về hiện tượng xói khi xây cầu, kể cả sự diễn biến tự nhiên của dòng sông.
(ii) Còn thiế
u nhiều số liệu liên quan đến lũ dùng trong thiết kế, đặc biệt là biến đổi bất
thường khí hậu gần đây .
(iii) Tải trọng và tần suất sử dụng cầu đường ngày càng tăng nhanh vượt quá tầm kiểm soát
của người thiết kế.
Xói lở tại vị trí cầu, tại trụ và mố trước hết có thể do 04 nguyên nhân ban đầu:
(i) Cầu qua sông dưới các đập lớn làm dòng chả
y bị đói bùn cát, phải tự hạ thấp đáy sông
do bùn cát bị tích đọng ở hồ thượng lưu đập, lượng xói này không hề nhỏ.
(ii) Để giảm chi phí xây dựng đã làm cầu thu hẹp dòng chảy gây xói chung dưới cầu.
(iii) Xói ngay tại chân trụ và mố cầu phụ thuộc vào điều kiện dòng chảy, loại hình trụ đã gây
ra cơ chế xói tại chân trụ, mố cầu ở một hai, hay cả ba h
ệ thống xoáy: xoáy dạng hình móng
ngựa, xoáy trục đứng sau trụ và xoáy ngược dòng chảy ở mặt nước. Các xoáy này làm tăng đột
biến tốc độ và ứng suất tiếp cục bộ gây xói cục bộ.
(iv) Do dòng chảy tác dụng lệch với trục dọc trụ.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến xói trụ và mố
Kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng và thực tế đo đạc trong sông ở các
cầu đang khai thác cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu xói bao gồm:
(i) Khẩu độ thoát lũ L
cm
– chiều dài cầu giữa hai mép mố.
238

Chẳng hạn công thức

67,0

olc
l
89,0
lx
B
B
hh
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
β=
(1)
trong đó: h
x,
h
l
lần lượt là chiều sâu trung bình ở lòng sông dưới cầu sau xói và ở lòng sông
lúc tự nhiên.
B
olc
, B
l
lần lượt là chiều rộng lòng sông dưới cầu sau xói và ở lòng sông lúc tự nhiên.

ctn

TK%p
Q
Q
=β
hệ số tăng cường lưu lượng chung toàn cầu.
Q
p%TK
và Q
ctn
là lưu lượng thiết kế và qua dưới cầu lúc tự nhiên. hay

m
oc
l
7/6
l
TK%p
lx
L
B
Q
Q
hh
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
(2)
với m = 0,69 – 0,59 phụ thuộc vào
5,0
u
2
*
<
ω
<

(ii) Khẩu độ nhịp
BbB /)( −=
α

trong đó B là khoảng cách giữa hai tim trụ kề nhau; b là bề rộng trụ cầu;
α giảm thì xói
tăng vì xói ở trụ này có thể ảnh hưởng đến trụ bên cạnh.
(iii) Chiều sâu dòng chảy trước xói cục bộ
Thí nghiệm của Trần Đình Nghiên (1985 – 1988) chỉ ra h/b >3 thì vai trò của chiều sâu
dòng chảy ít ảnh hưởng đến xói.

(iv) Ảnh hưởng của chính chiều rộng trụ và hình dạng đầu trụ. Hình dạng trụ ảnh hưởng đến
xoáy dạng móng ngựa và sự tách dòng chảy làm ảnh hưởng đến xói l
ớn nhất.
Kết quả nhiều thí nghiệm cho trong bảng 1
Bảng 1. Hệ số hình dạng trụ trung bình K
shp

Hình dạng K
shp
Trụ tròn
Chữ nhật (l/b = 2-6)
hạt đậu (2:1; 3:1; 4:1)
Elip (2:1; 3:1)
Dạng Joukowsky (4:1; 5:1)
Tam giác góc ở đỉnh:








15
0

60
0

90

0

120
0

150
0

1.0
1.1 – 1,25
0,93; 0,79; 0,70
1,0; 0,86;
1,0; 0,80
0,45
0,75
0,88
0,94
1,00
(v) Góc nghiêng của dòng chảy
θ
K
α
239

)&b/l(fK
K
θ=
θ
=
θ

θ
trô däc trôc víitrïng ych¶ dßng khiXãi
trô däc trôc víing nghiª gãc ë Xãi

Thí dụ đối với trụ chữ nhật (l/b = 6,0) ở bảng 2
Bảng 2
θ
0
0
7,5
0
15
0
30
0
45
0

θ
K
1,0 1,07 1,37 2,37 3,77
hay số liệu trung bình của cầu đang sử dụng ở bảng 3.
Bảng 3. h
cx

∈
b, h
x
&
θ

Chiều rộng trụ b(m)
3,0 4,0 5,0
Góc nghiêng
θ

Chiều sâu
dòng
chảy (m)
0 20 40 0 20 40 0 20 40
2,0 2,8 3,5 4,6 3,8 4,5 5,6 4,7 5,5 6,7
5,0 3,8 5,3 7,6 5,1 6,9 9,6 6,3 8,4 11,3
10,0 4,5 6,7 9,9 6,0 8,8 12,9 7,5 10,9 15,7
Bảng 3 chỉ ra xói cục bộ h
cx
)5,11(
−
≈ b
p

Khi
00
20=θ
thì h
cx
= (1,8-2,2)b
p
thì
47,138,1K
−

=
θ


00
40=θ
thì h
cx
= (2,3-3,3)b
p
thì
2,277,1K
−
=
θ

(vi) Ảnh hưởng của dòng chảy thông qua quan hệ b
p
/h chẳng hạn công thức của Breusers và CCS

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
h
b
4,1

h
h
x
(3)
Hay đề nghị của T.Paul Teng(N.FHWA, 6/2003):

55,083,066,0
cx
hb99,0
h
h
Ψ=
−
(4)

3,01,0 −=Ψ
sẽ cho h
cmax
; Ψ là thông số cường độ dòng chảy

ic
i
vv
vv
−
−
=Ψ (5)

6/13/1
35i

hd65,2v = là tốc độ khởi động của hạt; v
c
là tốcđộ để cả khối bùn cát chuyển động.
(vii) Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy :

1
u
u
c*
*
<
nước trong;
1
u
u
c*
*
>
nước đục; hay
5,0
v
v
c
<
không xói;
1
v
v
5,0
c

<<
nước
trong;
c
v
v
1 <
nước đục; trong đó