Những công nghệ lần đầu được áp dụng khi xây cầu Nhật Tân

Không chỉ là một công trình giao thông, cầu Nhật Tân là minh chứng cho sự kết hợp hài hòa giữa kỹ thuật xây dựng tiên tiến và những giá trị thẩm mỹ tinh tế, góp phần thay đổi diện mạo của Hà Nội.

Cầu Nhật Tân, cầu dây văng lớn nhất Việt Nam, được khởi công xây dựng vào năm 2009 với tổng mức đầu tư hơn 13.626 tỷ đồng. Ông Nguyễn Lê Minh, nguyên Giám đốc Ban điều hành dự án, chia sẻ rằng khi quyết định phương án xây dựng cầu để vượt sông Hồng với khẩu độ lớn, đã có nhiều ý tưởng khác nhau như đúc hẫng, cầu thép, cầu dây văng và cầu dây võng. Từ góc độ mỹ quan, sự lựa chọn giữa cầu bêtông đúc hẫng hay cầu thép đã không tạo được nét kiến trúc độc đáo như cầu dây văng.

Phương án cầu treo dây võng với nhịp chính dài từ 500 đến 700 m yêu cầu chiều cao thông thủy lớn, làm tăng độ dốc hai đầu cầu, ảnh hưởng đến khả năng khai thác. Hơn nữa, trụ tháp cao có thể gây ra vấn đề về an toàn hàng không. Do đó, phương án cầu dây văng được lựa chọn nhằm tạo điểm nhấn kiến trúc cho khu vực xung quanh.

Với chiều dài tổng thể 1,5 km, các kiến trúc sư đã quyết định thiết kế cầu với 5 trụ tháp hình chữ A, tượng trưng cho 5 cửa ô Hà Nội. Đây không chỉ là biểu tượng về sự phát triển mà còn khẳng định vị thế của thủ đô. Hình dáng trụ tháp giống như cánh tay nối dài của Hà Nội, vươn ra tương lai đầy hy vọng.

Việc tính toán thiết kế cầu dây văng phức tạp hơn cầu dây võng. Dù nhiều cầu trên thế giới có nhịp dài hơn 1 km, nhưng chi phí xây dựng rất cao. Kỹ sư đã tận dụng địa hình, chọn mô hình cầu dây văng nhiều nhịp với các nhịp dài 300 m, đảm bảo yếu tố kỹ thuật và tiết kiệm chi phí thi công. Phương án này không những đảm bảo vấn đề kỹ thuật mà còn giữ an toàn cho chiều cao trụ tháp, phù hợp với hoạt động hàng không tại sân bay Nội Bài.

Công nghệ làm cầu dây văng còn cho phép kết cấu chịu tải trọng lớn và chống chọi tốt với động đất và điều kiện thời tiết khắc nghiệt. "Chúng tôi chọn cầu dây văng vì đây là giải pháp tối ưu nhất, vừa đảm bảo khả năng vượt sông lớn, vừa tạo ra một kiến trúc đẹp và hiện đại", ông Minh cho biết.

Cầu Nhật Tân dài 3.755 m với phần cầu chính dài 1.500 m, có 5 trụ tháp cao 111 m tính từ móng. Hai trụ được thi công trên cạn, trong khi 3 trụ thi công dưới nước. Mỗi trụ tháp được neo cáp với tổng cộng 220 bó cáp trên toàn cầu.

Công trình được đầu tư bằng nguồn vốn ODA từ Nhật Bản. Phần cầu chính và đường dẫn phía Bắc do liên danh nhà thầu IHI và Sumitomo Mitsui thi công; phần cầu và đường dẫn phía Nam do liên danh Sumitomo Mitsui và Vinaconex thực hiện. Với kinh nghiệm thi công các kết cấu tương tự và sự hỗ trợ của đội ngũ kỹ sư Việt Nam, các nhà thầu Nhật Bản đã có nhiều giải pháp vượt khó để hoàn thành dự án.

Móng cọc cầu Nhật Tân được xây dựng theo công nghệ vòng vây cọc ống thép. Ảnh: IHI

Ông Phùng Văn Tuệ, kỹ sư xây dựng cao cấp của Công ty IHI Group (Nhật Bản), cho biết móng cọc được xây dựng theo công nghệ vòng vây cọc ống thép do Nhật Bản nghiên cứu và phát triển. Đây là lần đầu tiên công nghệ này được áp dụng tại Việt Nam cho dự án cầu Nhật Tân. Việc sử dụng cọc ống thép mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với cọc bêtông và cọc khoan nhồi, nhờ vào độ bền và cường độ cao của vật liệu cũng như khả năng chịu lực dọc và lực ngang tốt. Phương pháp này giúp thi công nhanh chóng, loại bỏ được một số khâu như đóng cọc ván thép trong phương án cọc khoan nhồi trước đây. Mặc dù chi phí cho cọc ống thép cao hơn, nhưng hiệu quả lâu dài và giá trị kinh tế mà nó mang lại cao hơn.

Nhà thầu đã thực hiện đóng cọc vòng vây ngăn nước và chịu lực với đường kính 1,2 m và chiều dài khoảng 38 m cho cọc ống thép, hoàn toàn nhập khẩu từ Nhật Bản. Để thi công, nhà thầu sử dụng búa rung kết hợp với một số thiết bị chuyên dụng như hệ thống phun nước áp lực cao để xói đầu cọc, nhằm giảm ma sát và sử dụng thiết bị búa diesel để đóng cọc trong khu vực nền địa chất tốt, giúp đưa mũi cọc tới độ sâu thiết kế. Những thiết bị này lần đầu tiên được đưa vào sử dụng tại Việt Nam.

Sau khi hoàn tất việc đóng cọc vòng vây, nhà thầu tiến hành nạo vét bùn tại đáy sông trong khu vực vòng vây cọc ống thép và đổ bêtông để bịt đáy. Tiếp theo, cốt thép được đưa vào bệ trụ và hàn đinh neo vào ống thép để tăng cường liên kết giữa bệ tháp và cọc ống thép, sau đó đổ bêtông cho bệ tháp. Toàn bộ bệ tháp cầu được thiết kế chìm trong đất, tạo mỹ quan cho cầu Nhật Tân trong mùa nước cạn.

Hệ thống cáp văng, thường được áp dụng cho cầu dây văng trên thế giới, gồm hai loại: Sợi song song (PWS) phát triển chủ yếu ở Nhật Bản và Trung Quốc, và tao song song (PPS) phát triển ở châu Âu và Mỹ. Cầu Nhật Tân áp dụng công nghệ dây văng PWS, trước đây đã được sử dụng ở cầu Cần Thơ và cầu Bính. Các bó dây cáp được chế tạo sẵn và nhập khẩu toàn bộ theo tiêu chuẩn của Nhật Bản.

Ông Phùng Văn Tuệ nhấn mạnh rằng nhờ vào hệ thống sợi song song, các bó cáp được sản xuất đồng bộ sẽ giúp kiểm soát lực căng trong dây văng đồng đều hơn so với hệ thống tao song song, nơi cáp được căng từng dây một như ở nhiều cầu dây văng khác tại Việt Nam. Điều này giúp kiểm soát lực căng cáp tốt hơn.

Nhà thầu hàn đinh neo vào ống thép để tăng liên kết bệ tháp và cọc ống thép. Ảnh: IHI

Cầu Nhật Tân được thiết kế với hình thức cầu dây văng 5 nhịp, do đó việc căng cáp và quản lý lực căng trong dây văng gặp nhiều thách thức hơn so với cầu dây văng một nhịp hay hai nhịp. Nếu không kiểm soát tốt, bề mặt cầu có thể bị gợn sóng, tạo ra hiện tượng gồ ghề không mong muốn. Trước khi tiến hành căng cáp, các kỹ sư Nhật Bản và Việt Nam đã cẩn trọng tính toán các thông số tác động trực tiếp đến lực căng trong dây văng, bao gồm nhiệt độ, thiết bị thi công và độ nghiêng của tháp.

Theo ông Phùng Văn Tuệ, nhờ vào việc kiểm soát kỹ lưỡng các thông số trong từng giai đoạn chế tạo và thi công, nhà thầu IHI đã quản lý tốt lực căng dây văng trong từng giai đoạn kéo căng, do đó không cần điều chỉnh lại lực căng dây văng trong giai đoạn hoàn thiện cầu.

Dầm cầu chính của cầu Nhật Tân được thiết kế bằng thép, với bản mặt cầu bêtông (dầm liên hợp thép và bêtông). Phương án này nhằm giảm khối lượng dầm, phù hợp với loại hình cầu dây văng có nhịp lớn, vượt sông dài tới 300 m, đồng thời kết hợp tốt khả năng chịu kéo của thép và khả năng chịu nén của bêtông. Nếu sử dụng dầm cầu bằng bêtông cốt thép, đường kính cáp văng và số lượng dây cáp cần phải tăng lên do khối lượng dầm lớn, làm khó đi việc áp dụng cho cầu có khẩu độ vượt nhịp lớn. Hơn nữa, việc kiểm soát nứt trong dầm bêtông cũng gặp nhiều khó khăn do ứng suất kéo và nén của dầm thay đổi theo từng giai đoạn thi công và khai thác.

Các khối dầm thép dài 12 m được sản xuất tại Nhật Bản và Việt Nam được chuyển giao đến công trường và lắp ghép với nhau bằng bulông cường độ cao. Trong quá trình chế tạo dầm thép, việc kiểm soát chất lượng thép, nhiệt độ gia công và công tác hàn được ưu tiên hàng đầu nhằm đảm bảo biến dạng - độ vồng của dầm thép sau khi chế tạo phù hợp với các thông số thiết kế đã đề ra.

Hợp long nhịp cầu Nhật Tân. Ảnh: IHI

Đối với cầu dây văng, vấn đề khó khăn nhất là thời điểm hợp long cầu, khi hai nhịp cầu phải được điều chỉnh đồng nhất về cao độ và độ lệch tâm để có thể khớp nối một cách đồng bộ. Sự chênh lệch về cao độ và độ lệch tâm giữa hai nhịp phụ thuộc vào công nghệ và năng lực thi công của nhà thầu.

Theo kỹ sư Phùng Văn Tuệ, trong quá trình thi công dây văng, nhà thầu IHI đã phát triển phương pháp và tính toán lực căng (điều chỉnh nội lực của dây văng) phù hợp với từng giai đoạn thi công, nhằm đảm bảo cao độ và độ lệch tâm giữa hai nhịp tại vị trí hợp long nằm trong giới hạn cho phép. Nếu không kiểm soát tốt quá trình này, việc hợp long cầu sẽ gặp nhiều khó khăn và bề mặt cầu có thể không được êm thuận sau khi cầu được đưa vào khai thác.

Điều đặc biệt là cầu Nhật Tân có tới 4 giai đoạn hợp long. Đốt hợp long cuối cùng là một thử thách lớn với đội ngũ kỹ sư IHI, do độ cứng liên kết của cầu sẽ tăng lên theo mỗi giai đoạn hợp long trước đó. Nhờ vào kỹ năng và kinh nghiệm của các kỹ sư, đốt hợp long cuối cùng đã diễn ra thành công.

Cầu Nhật Tân trong giai đoạn thảm bêtông nhựa. Ảnh: IHI

Để thi công cầu Nhật Tân, nhà thầu IHI đã huy động đội ngũ hơn 100 kỹ sư Nhật Bản và Việt Nam. Các kỹ sư trực tiếp ra hiện trường thu thập các số liệu để cập nhật, phân tích và giám sát, hướng dẫn công nhân Việt Nam thi công, đảm bảo tiến độ, chất lượng.

Theo ông Nguyễn Lê Minh, nguyên Giám đốc Ban điều hành dự án cầu Nhật Tân, cầu Nhật Tân được đầu tư kỹ lưỡng trong từng hạng mục, từ móng, dầm cho tới tháp. Hệ cọc thép đảm bảo độ ổn định và khả năng chịu lực vượt trội ngay cả trong điều kiện địa chất phức tạp như sông Hồng. Dầm thép hình chữ I và mặt cầu bêtông cốt thép liên hợp không chỉ giúp giảm trọng lượng, tăng khả năng chịu tải mà còn kéo dài tuổi thọ của công trình.

"Cầu Nhật Tân là một 'phòng thí nghiệm sống' của công nghệ xây dựng cầu hiện đại, các nhà thầu đã triển khai hàng loạt công nghệ tiên tiến lần đầu áp dụng tại Việt Nam", ông nói, cho biết hệ thống dây văng PWS được căng đồng bộ với độ chính xác cao, các cọc ống thép lớn được thi công ngay tại chỗ bằng thiết bị hiện đại và kỹ thuật đúc hẫng cân bằng giúp kiểm soát chất lượng từng chi tiết.

Ngoài ra, hệ thống quan trắc tự động giám sát toàn bộ quá trình thi công và vận hành cũng là bước tiến mới, đảm bảo công trình an toàn, hoạt động hiệu quả trong nhiều năm tới.

Cầu Nhật Tân được khánh thành vào tháng 1/2015, đồng bộ với tuyến đường Võ Nguyên Giáp, tạo nên tuyến cao tốc nội đô hiện đại của thủ đô, rút ngắn thời gian di chuyển từ sân bay Nội Bài tới trung tâm Hà Nội.