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

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
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

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

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

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.

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

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
%

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

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

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.

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

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

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)

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 =

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

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
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

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

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
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

(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

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

=
θ00
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

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