Giải pháp kết cấu liên hợp sàn thép trực hướng với bê tông siêu tính năng UHPC góp phần hồi phục mặt cầu Thăng Long

Cầu Thăng Long sau 30 năm đưa vào khai thác, lưu lượng xe gia tăng, đặc biệt là xe tải nặng đã gây thiệt hại cho mặt cầu. Cầu đã trải qua hai đợt sửa chữa lớn vào các năm 1998 - 1999 và năm 2009 với lớp phủ bê tông nhựa SMA (Stone Mastic Asphalt). Nhưng chỉ ít lâu sau, lớp bê tông nhựa lại tiếp tục xuất hiện hư hỏng. Lớp SMA mặt cầu có nhiều vết nứt ngang, nứt chéo, cùng tình trạng ổ gà, ảnh hưởng đến hoạt động khai thác và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn giao thông.

Năm 2019, Bộ GTVT đã giao Tổng cục Đường bộ Việt Nam chuẩn bị đầu tư dự án. Trên cơ sở đó, Tổng cục đã lập dự án sửa chữa mặt cầu Thăng Long, nghiên cứu lựa chọn giải pháp kết cấu và vật liệu tiên tiến phù hợp và hiệu quả từ kinh nghiệm quốc tế, thử nghiệm các giải pháp triển khai công nghệ cần thiết.

Đến tháng 8/2020, việc thi công thực hiện dự án bắt đầu được tiến hành, khởi đầu bằng việc cào bóc toàn bộ lớp bê tông nhựa cũ trên mặt cầu và cào sạch lớp dính bám, sau đó tẩy sạch, sơn lớp chống gỉ bảo vệ lớp mặt thép.

Công đoạn tiếp theo là hàn đinh neo. Gần 1,5 triệu đinh neo hàn theo công nghệ mới Plasma. Sau khi lưới cốt thép được lắp đặt là công đoạn thảm bê tông siêu tính năng UHPC. Bê tông UHPC có cường độ chịu nén và chịu kéo đều cao gấp nhiều lần so với bê tông thông thường. Kết cấu sàn thép trực hướng liên hợp với lớp bê tông siêu tính năng UHPC sẽ khắc phục những tồn tại và bất cập lưu cữu trước đây, hồi phục lại và tăng cường khả năng làm việc của mặt cầu, đảm bảo tuổi thọ trên 30 năm cùng với kết cấu của cầu. Riêng với lớp thảm bê tông nhựa tạo nhám (dày 4 cm) trên cùng của mặt cầu sẽ tồn tại từ 5 - 10 năm theo tuổi thọ thông thường của vật liệu bê tông nhựa.

Tiếp đến là thảm lớp bê tông nhựa Polyme, giữa bê tông UHPC và bê tông nhựa, được liên kết bằng keo epoxy của Nhật Bản. Lớp bê tông nhựa này có tuổi thọ từ 5 - 10 năm theo kỳ tuổi thọ của bê tông nhựa. Cùng với đó, việc sửa chữa lần này cũng sửa chữa lại hệ thống ATGT, thoát nước và khe co giãn.

Cầu Thăng Long đã qua 2 lần sửa chữa bằng lớp phủ bê tông nhựa SMA (Stone Mastic Asphalt). Nhưng chỉ ít lâu sau, lớp bê tông nhựa lại tiếp tục xuất hiện hư hỏng. Đứng trước yêu cầu thách thức về công nghệ, Tổng cục Đường bộ Việt Nam đã thành lập riêng một bộ phận nghiên cứu công nghệ mới để sửa chữa cầu Thăng Long trong suốt 2 năm. Quá trình làm gặp nhiều khó khăn vướng mắc, từ công tác chuẩn bị dự án đến lựa chọn tư vấn. Tới tháng 1/2020 mới lựa chọn được nhà thầu tư vấn là Trường Đại học GTVT. Qua 3 tháng kiểm định, thử nghiệm, đánh giá, dự án sửa chữa cầu Thăng Long mới được phê duyệt.

Việc sửa chữa mặt cầu Thăng Long lần này chủ yếu là tạo ra kết cấu liên hợp giữa bản UHPC với sàn thép OSD hiện hữu, sau khi thanh thải lớp phủ mặt cầu cũ, hàn các đinh neo trên bản mặt thép, bổ sung lưới cốt thép rổi đổ lớp bê tông siêu tính năng (UHPC) với lượng sợi thép gia cường đủ cần thiết.

Giải pháp kết cấu sửa chữa lần này được đơn vị tư vấn đưa ra bao gồm 3 nội dung chính yếu: Hàn đinh neo trên mặt thép; công nghệ chế tạo và thi công bê tông siêu tính năng. Công nghệ giúp xử lý được không chỉ bộ phận mặt cầu mà còn cả hệ thống kết cấu nhịp giàn trước, trong và sau quá trình sửa chữa. Công nghệ hàn đinh neo trên mặt thép đã phổ biến trên thế giới trong lĩnh vực kết cấu cầu thép liên hợp. Đảm bảo chất lượng hàn đinh neo và kiểm soát, giảm thiểu ảnh hưởng tới tính năng của bản thép mặt cầu. Công nghệ đã được nghiên cứu thực nghiệm tại Trường Đại học GTVT.

Chia sẻ với chúng tôi GS. TS Trần Đức Nhiệm - Trường Đại học GTVT - người có nhiều nghiên cứu gắn bó với việc sửa mặt cầu Thăng Long cho biết, sau khi nghiên cứu công nghệ thực tế tại một số cầu có kết cấu sàn thép tương tự cầu Thăng Long, điều kiện khí hậu, thời tiết giống Việt Nam, Trường Đại học GTVT đã triển khai thí nghiệm về kết cấu và lớp bê tông UHPC trên cơ sở các điều kiện làm việc bất lợi của sàn thép mặt cầu Thăng Long.

Chúng tôi đã triển khai thử mỏi với 2 triệu chu kỳ, sau đó gia tải 3,6 lần so với tải thiết kế (xe 35 tấn) thì sườn thép trực giao đã bắt đầu tới giới hạn chảy dẻo, song lớp bêtông siêu tính năng UHPC liên hợp vẫn không bị trượt, nứt. Các số liệu thử nghiệm cho thấy lớp UHPC liên hợp bản mặt thép cho phép mặt cầu sau khi gia cường có thể vượt tải thiết kế, làm tăng cứng bản mặt thép nguyên gốc lên 3 lần và giảm độ võng tương ứng, giảm dao động mặt cầu.

Giải pháp sửa chữa mặt cầu Thăng Long sử dụng công nghệ lõi của châu Âu và hoàn toàn do đội ngũ chuyên gia, kỹ sư Trường Đại học GTVT làm chủ. Toàn bộ dự án từ bước kiểm định, đánh giá, phân tích nguyên nhân hư hỏng và đề xuất giải pháp đến lập dự án rồi đến và triển khai tổ chức thi công, công tác giám sát đều do đội ngũ người Việt làm chủ. Trên cư sở lớp bê tông UHPC tạo ra lớp trung gian, giúp liên kết tốt và bền với bản mặt cầu thép, đồng thời liên kết với lớp polymer asphalt tốt hơn trong mọi điều kiện thời tiết. Công nghệ sửa chữa lần này sẽ tăng cường độ cứng cho bản mặt cầu, được gia cố thành kết cấu mặt cầu liên hợp với vật liệu có liên kết tốt, chịu cường độ cao, không thấm nước xuống bản mặt thép, GS. TS Nhiệm thông tin thêm.

Sau 4 năm sử dụng, mặt cầu Thăng Long vẫn đảm bảo độ êm thuận, cho phép lưu thông với tốc độ 80 km/h, trong khi lưu lượng xe đạt hơn 50.000 xe mỗi ngày đêm mà chưa phải cần bảo trì. Để đảm bảo mặt cầu duy trì độ êm lâu dài, cơ quan quản lý chỉ cần bảo trì lớp polymer asphalt giúp mặt cầu bền vững trong nhiều thập kỷ.