Nghiên cứu lựa chọn công nghệ xây dựng đường ray tấm bản áp dụng cho đường sắt tốc độ cao ở Việt Nam

Đường sắt tốc độ cao (ĐSTĐC) có lịch sử trên 50 năm xây dựng và khai thác, được phát triển rộng rãi trên hệ thống giao thông của nhiều quốc gia, nhất là các nước phát triển. Đến nay, nhiều quốc gia đã xây dựng và vận hành ĐSTĐC gồm Áo, Bỉ, Anh, Pháp, Đức, Italia, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Nga, Bồ Đào Nha, Thổ Nhĩ Kỳ, Uzbekistan, Ba Lan, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan, Hoa Kỳ,... Các hệ thống ĐSTĐC thể hiện khái niệm hoặc triết lý thiết kế khác nhau liên quan đến kiến trúc tầng trên/ đường ray (track) của đường sắt, dẫn đến việc tạo ra các mô hình cơ sở hạ tầng khác biệt đặc trưng bởi sự chiếm ưu thế của đường có đá ba lát (ballasted track) hay của đường ray tấm bản (slab track). Mặc dù, các tuyến ĐSTĐC đầu tiên sử dụng đường có đá ba lát, nhưng đến nay, việc áp dụng đường ray tấm bản (ĐRTB) trên ĐSTĐC chiếm tỷ trọng rất lớn. Việc lựa chọn loại kết cấu đường ray nào phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật như độ tin cậy, điều kiện môi trường, tốc độ thiết kế, tính sẵn có của vật liệu...; và các yếu tố kinh tế như năng lực tài chính, chi phí vận hành và bảo trì. Những năm qua, các dự án ĐSTĐC đã được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới và thành tựu đạt được là tốc độ tối đa khoảng 400 km/h, với nhiều thách thức về công nghệ hoặc tuyến ĐSTĐC đi qua khu vực có điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Do vậy, người ta đã nghiên cứu và phát triển các dạng ĐRTB được sử dụng để giải quyết những thách thức này, và thảo luận về những hạn chế của đường có đá ba lát sử dụng trong các dự án ĐSTĐC. Đường ray của đường sắt là một hệ đỡ và dẫn hướng đoàn tàu, gồm các thanh ray, phụ kiện kẹp ray, tà vẹt và nền đỡ (nền ballast hoặc nền bê tông/ asphalt). ĐRTB hoặc gọi là đường ray không ballast (ballastless track), là một dạng kiến trúc tầng trên của đường sắt, trong đó sự kết hợp đàn hồi truyền thống giữa tà vẹt và nền ballast, được thay thế bằng kết cấu cứng của nền bê tông/ asphalt. Khác với đường có đá ba lát, ĐRTB có các thanh ray được cố định trực tiếp trên tấm bản bê tông hoặc trên tà vẹt bê tông được đặt trong nền bê tông/ asphalt mà không sử dụng lớp đá ballast. ĐRTB thường được xây dựng trên các ĐSTĐC, đường sắt đô thị (urban railway) và đường sắt nhẹ (light railway). Có hai cách tiếp cận khác nhau để thiết kế ĐRTB, đó là thiết kế hệ thống đỡ ray rời rạc và hệ thống đỡ ray liên tục. Theo đó, các thiết kế ĐRTB như sau: tà vẹt/ khối đỡ chìm trong bê tông; tà vẹt đặt trên nền bê tông/ asphalt; bê tông đúc sẵn; thiết kế liền khối; thanh ray chìm; ray kẹp và đỡ liên tục. Toàn bộ kết cấu trên nền đường được cấu tạo chủ yếu từ 5 lớp, gồm nền đất (lớp nền), lớp bảo vệ sương giá (FPL), lớp dính bám thủy lực (HBL), lớp chịu lực bê tông (CBL) hoặc asphalt (ABL), và tà vẹt + ray hoặc ray gắn trực tiếp. Ở các nhiều nước, ĐRTB trên ĐSTĐC đã chứng minh được sự hiệu quả hơn so với đường có đá ba lát về độ an toàn, êm thuận trong khai thác tàu tốc độ cao; kinh tế hơn trong bảo trì; và thường được áp dụng trong hầm, trên cầu và một số đoạn nền đường. Một số nước, hiện nay thậm chí còn quy định phải sử dụng toàn bộ ĐRTB trên các cầu và trong các hầm của đường sắt. Kế hoạch dự kiến của Đường sắt Việt Nam là xây dựng tuyến ĐSTĐC trục Bắc - Nam, từ Hà Nội đến TP. Hồ Chí Minh, đi qua 20 tỉnh/thành phố, chiều dài 1 559 km; trong đó đoạn nền đất 459 km, trên cầu 940 km, trong hầm 160 km; trên tuyến bố trí 24 ga chính và 3 ga quy hoạch, 5 depot, 42 trạm bảo dưỡng hạ tầng... được xây dựng theo tiêu chuẩn đường đôi, khổ 1 435 mm, điện khí hóa, tốc độ thiết kế 350 km/h và tốc độ khai thác 320 km/h. Khi xây dựng tuyến ĐSTĐC, một khối lượng lớn ĐRTB sẽ được sử dụng trên cầu, trong hầm và một số đoạn trên nền đường. Việc sử dụng hợp lý ĐRTB kết hợp với đường có đá ba lát sẽ đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho dự án về chi phí xây dựng và bảo trì, giảm thiểu chi phí vòng đời (LCC). Ngoài ra, gần đây ĐRTB đang được đưa vào sử dụng cho các đường sắt đô thị (ĐSĐT) như tuyến Nhổn - ga Hà Nội (TP. Hà Nội), Bến Thành - Suối Tiên (TP. Hồ Chí Minh). Tuy nhiên, tại các dự án này, tư vấn và nhà thầu nước ngoài đảm trách việc thiết kế và thi công. Thực tế đó đặt ra yêu cầu là phải tiến hành nghiên cứu làm chủ công nghệ xây dựng ĐRTB, lựa chọn để áp dụng cho ĐSTĐC ở Việt Nam.

Nhằm nghiên cứu các vấn đề của công nghệ xây dựng ĐRTB (về các dạng kết cấu và vật liệu, cơ sở phân tích và thiết kế, công nghệ thi công, tiêu chuẩn kỹ thuật...), sử dụng trên đường sắt tốc độ cao; phân tích và lựa chọn nhằm đề xuất dạng kết cấu và công nghệ thi công ĐRTB phù hợp để áp dụng cho đường sắt tốc độ cao ở Việt Nam, ThS. Bùi Xuân Học cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ xây dựng đường ray tấm bản áp dụng cho đường sắt tốc độ cao ở Việt Nam”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận như sau:

Mặc dù, còn một số hạn chế về chi phí xây dựng lớn, khó điều chỉnh hướng tuyến sau khi thi công, phát thải tiếng ồn và rung động lớn... nhưng ĐRTB có ưu điểm tuổi thọ dài hơn, chu kỳ bảo trì dài hơn, chi phí vòng đời thấp, sức kháng ngang và cường độ đường ray lớn hơn, đường ray ít bị biến dạng, chi phí bảo trì thấp... nên ĐRTB đang cạnh tranh hơn so với đường có đá ba lát, đặc biệt là khi xây dựng ĐSTĐC.

Thiết kế ĐRTB trên ĐSTĐC phải xem xét đến các kết cấu dưới, nền đỡ bê tông, phụ kiện kẹp ray nhằm đảm bảo duy trì các tính năng của đường ray, giảm tiếng ồn và độ rung. Thiết kế phải đảm bảo rằng các hư hỏng dự kiến của tấm bản sẽ không xảy ra trong tuổi thọ dự kiến 40 ~ 60 năm. Thiết kế không hoàn toàn chỉ dựa vào quy trình phân tích thiết kế, mà cần phải được minh chứng và hiệu chuẩn thích hợp trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường bằng các thử nghiệm và quan trắc tính năng đường ray. Thiết kế cũng phải đặc biệt lưu ý đến các khu vực chuyển tiếp của đường ray.

Trên các tuyến ĐSTĐC, hệ thống ĐRTB đỡ ray rời rạc chiếm đa số, sử dụng các phương pháp thi công từ dưới lên, từ trên xuống, và thi công kết hợp; trong khi hệ thống ĐRTB đỡ ray liên tục chiếm tỷ lệ rất ít, và chỉ áp dụng phương pháp thi công thi công từ dưới lên. Các hệ thống ĐRTB nền bê tông được áp dụng rộng rãi hơn nhiều các hệ thống ĐRTB nền asphalt. Trên nền đường, phải đảm bảo độ ổn định đến độ sâu ³ 2,5 m dưới tấm chịu lực và lựa chọn công nghệ thi công nền đường thích hợp. Trên cầu, ĐRTB phải được thiết kế và thi công sao cho các lực dọc và ngang được truyền đến kết cấu cầu, và tấm bản có khả năng chịu lực an toàn dưới tác động của thay đổi nhiệt độ và tải trọng đoàn tàu. Trong hầm, việc áp dụng ĐRTB rất hiệu quả về mặt thi công, nhưng cũng cần đảm bảo thoát nước và tiếp cận của các phương tiện trong quá trình thi công. Đối với các khu vực chuyển tiếp, việc thi công ĐRTB đòi hỏi phải chú ý đặc biệt, và phải thiết kế riêng cho từng dự án, tương ứng với hệ thống ĐRTB áp dụng và phải điều chỉnh cho phù hợp với các quy định của quốc gia. Việc áp dụng ray hàn liền (CWR) là yêu cầu bắt buộc đối với ĐSTĐC, và việc thi công, kiểm tra, lắp đặt lại ray hàn liền phải được thực hiện theo các phương pháp và tiêu chuẩn kỹ thuật quy định.

Các tiêu chuẩn liên quan đường ray đường sắt ở các nước, hầu hết đều biên soạn dựa trên các tiêu chuẩn EN của châu Âu. Các tiêu chuẩn EN quy định đầy đủ các bộ phận của đường ray đường sắt. Các thông số kỹ thuật đối với ĐRTB trên ĐSTĐC ở một số nước có một số khác nhau do điều kiện môi trường và tiêu chuẩn áp dụng ở mỗi quốc gia, nhưng đều nằm trong ngưỡng quy định của TSI. Định hướng của Việt Nam lựa chọn tham khảo các tiêu chuẩn EN về thiết kế, thi công và bảo trì kết cấu đường ray nói chung và ĐRTB nói riêng áp dụng cho ĐSTĐC, để xây dựng các TCVN, là phù hợp với xu hướng hiện nay ở các nước.

Trên cơ sở các tiêu chí đặt ra và các phân tích, so sánh, đánh giá, nghiên cứu này đề xuất lựa chọn như sau: Trên nền đường và trên cầu, lựa chọn thiết kế Rheda 2000 là hệ thống ĐRTB bê tông đổ tại chỗ, tà vẹt đặt chìm. Thiết kế Rheda 2000 bao gồm tà vẹt khối cải tiến, đặt chìm trong tấm bê tông đổ tại chỗ, có khung cốt thép nối hai khối đỡ; Trong hầm, lựa chọn hệ thống Sonneville-LVT là hệ thống ĐRTB bê tông đổ tại chỗ với các khối đỡ bọc đế cao su. Thiết kế Sonneville-LVT được xây dựng bằng các khối đỡ BTCT, ngăn cách với phần còn lại của tấm bê tông bằng một đế cao su, dưới các khối đỡ bê tông bên trong đế cao su có tấm đệm đàn hồi.

Nhóm đề tài kiến nghị, khi thực hiện dự án xây dựng ĐSTĐC ở Việt Nam, cần phải được tiếp tục nghiên cứu đánh giá về chi phí thi công và bảo trì để đảm bảo sự phù hợp của hệ thống ĐRTB sẽ lựa chọn về tính kinh tế và kỹ thuật. Bộ GTVT xem xét cho phép thực hiện các nghiên cứu tiếp theo để thiết kế và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đối với tấm bản bê tông của hệ thống ĐRTB đề xuất lựa chọn; các nghiên cứu khác liên quan đến đối tượng của nghiên cứu này; hình thành dự án sản xuất thử nghiệm ĐRTB cho ĐSTĐC ở Việt Nam.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19408 /2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)