Trung Quốc khánh thành cầu dây văng dài nhất thế giới bắc qua sông Dương Tử

Nhịp cầu mang tính chuyển đổi bắc qua sông Dương Tử

Trung Quốc đã khánh thành một cây cầu khổng lồ mới bắc qua sông Dương Tử, lập nhiều kỷ lục thế giới và làm thay đổi việc đi lại hằng ngày ở tỉnh Giang Tô, miền đông nước này. Cầu Trường Thái bắc qua sông Dương Tử dài 10.3 kilometers (6.4 miles), nối thành phố công nghiệp Thường Châu ở bờ nam với Thái Châu ở bờ bắc. Hành trình trước đây mất khoảng 80 phút nay chỉ còn khoảng 20 phút. Nhịp chính dài 1,208 meters (3,960 feet), khiến cây cầu trở thành cầu dây văng có nhịp chính dài nhất thế giới. Đây là cây cầu đầu tiên bắc qua sông Dương Tử cùng lúc có đường cao tốc, đường bộ thông thường và đường sắt liên đô thị trên cùng một kết cấu, một tổ hợp hiếm gặp đòi hỏi những ý tưởng thiết kế và phương pháp thi công mới.

Công trình mất khoảng sáu năm để hoàn thành. Đội ngũ dự án đưa vào sử dụng hàng loạt công nghệ lần đầu xuất hiện nhằm xử lý nền đất mềm sâu, dòng chảy mạnh và thách thức kết hợp giao thông đường bộ, đường sắt trên cùng một mặt cầu. Công trình còn có hai cầu vòm giàn thép với nhịp dài 388 meters bắc qua các luồng phụ, lập kỷ lục về cầu vòm dùng chung cho đường bộ và đường sắt. Hai trụ chính cao 350 meters (1,148 feet), tương đương tòa nhà 120 tầng. Trước khi thông xe, các kỹ sư đã hoàn thành chương trình thử tải tĩnh và động quy mô lớn, tạo nền tảng để cầu vận hành an toàn ngay từ ngày đầu.

Ý nghĩa của dự án với Giang Tô và đồng bằng sông Dương Tử

Đồng bằng sông Dương Tử là một trong những khu vực sản xuất năng động nhất Trung Quốc. Tuyến kết nối nhanh chóng, đáng tin cậy giữa Thường Châu và Thái Châu tăng cường liên kết trong hành lang có nhà máy, khu logistics và cụm công nghệ nằm ở cả hai bờ sông. Rút ngắn thời gian di chuyển giúp giảm chi phí vận tải, mở rộng thị trường lao động và giúp người dân tiếp cận các dịch vụ công trong khu vực thuận tiện hơn. Tuyến mới cũng giảm tải cho các cây cầu và bến phà hiện hữu, vốn đang phải phục vụ lượng người và hàng hóa ngày càng tăng.

Giới chức Giang Tô mô tả cây cầu là mắt xích quan trọng trong chương trình lớn hơn nhằm kết nối mạng lưới đường bộ và đường sắt của đồng bằng. Tỉnh cho biết hiện đã hoàn thành 20 tuyến vượt sông và đang xây dựng thêm chín tuyến. Các kế hoạch quốc gia hướng tới một mạng lưới dày đặc hơn nhiều dọc sông Dương Tử, với mục tiêu có khoảng 240 tuyến vượt sông vào năm 2035, giúp phân bổ giao thông đồng đều hơn và tạo thêm nhiều phương án thay thế khi bảo trì hoặc xảy ra thời tiết cực đoan.

Giao thông đường thủy và sinh thái là những yếu tố trọng tâm trong thiết kế. Nhịp chính rất dài giúp luồng tàu thuyền trung tâm không bị vướng trụ, hỗ trợ tàu lớn đi qua an toàn và giảm xáo trộn trong lòng sông. Đội ngũ dự án lựa chọn giải pháp móng và trụ nhằm hạn chế diện tích chiếm dụng trong lớp trầm tích mềm sâu và kiểm soát hiện tượng xói chân, khi dòng nước chảy nhanh cuốn trôi vật liệu đáy sông quanh móng.

Bên trong nhịp cầu lập kỷ lục và thiết kế giao thông hỗn hợp

Cầu dây văng đỡ mặt cầu bằng những dải cáp thép tỏa hình quạt, nối trực tiếp với các trụ cao. Cầu này khác cầu treo, vốn sử dụng cáp chính võng qua các trụ và neo xuống đất, với các dây treo thẳng đứng nối mặt cầu vào cáp. Hệ dây văng phù hợp với các nhịp rất dài, khoảng 200 đến 1,300 meters, tạo mặt cầu cứng vững và cần khối neo nhỏ hơn, nhờ đó thích hợp với khu đô thị đông đúc và tải trọng đường sắt lớn.

Điểm nổi bật nhất của cầu Trường Thái là tích hợp ba chức năng giao thông trong cùng một công trình. Cầu có hai tầng. Tầng trên là đường cao tốc, giúp phương tiện lưu thông qua sông nhanh hơn. Tầng dưới kết hợp đường sắt liên đô thị được thiết kế cho tốc độ 200 km/h (124 mph) với một tuyến đường bộ thông thường chạy song song. Đây là lần đầu tiên bố trí đường sắt và đường bộ cạnh nhau trên tầng dưới ở quy mô nhịp cầu dài hơn một kilometer.

Ở những cây cầu kết hợp giao thông thông thường, đường sắt thường chạy ở giữa, hai bên là các làn đường bộ. Bố trí ở giữa giúp cân bằng kết cấu dễ hơn vì hệ thống đường sắt nặng hơn nhiều so với đường bộ. Đổi lại, hình học giao thông ở hai đầu cầu trở nên bất tiện, do các tuyến đường bộ tách đôi phải vòng lại để nhập vào nhau. Cách bố trí này chiếm đất, làm phức tạp các đường dẫn và nút giao gần khu đô thị, đồng thời có thể khiến lực lượng ứng cứu khẩn cấp tiếp cận chậm hơn. Thiết kế mới đặt đường bộ và đường sắt cạnh nhau trên cùng một tầng cầu, tạo kết nối thông thoáng hơn với đường phố và nhà ga.

Cân bằng mặt cầu bất đối xứng

Bố trí đường sắt tốc độ cao ở một bên và đường bộ ở bên kia khiến khối lượng phân bố không đều. Phía đường sắt nặng hơn gấp nhiều lần, có thể làm xoắn mặt cầu và kéo kết cấu lệch khỏi trục nếu không được xử lý cẩn thận. Tần Thuấn Toàn, nhà khoa học trưởng của Tập đoàn Đường sắt Trung Quốc kiêm thiết kế trưởng cây cầu, cùng nhóm của ông đã xử lý vấn đề này bằng cách tinh chỉnh lực cáp để giữ mặt cầu cân bằng dưới tải trọng thường xuyên, đồng thời điều chỉnh hình học các đoạn mặt cầu đúc sẵn.

Khi tăng lực cáp ở phía nặng, kết cấu có thể dịch chuyển về phía nhẹ hơn và tim cầu có thể bị lệch. Các kỹ sư bù trừ những xu hướng này bằng trình tự lắp ráp từng đoạn được tính toán và hình dạng định sẵn, để khi các đoạn cầu được lắp dựng và cáp văng được căng, mặt cầu tự điều chỉnh thẳng về đúng vị trí thiết kế. Cách tiếp cận này cho phép lần đầu bố trí đường sắt và đường bộ cạnh nhau trên một cây cầu nhịp lớn mà không cần dùng đến các phương án chia tách phức tạp hơn với nhiều tầng cầu.

Móng cầu được xây dựng để chống chọi dòng sông lớn

Đoạn sông Dương Tử gần Thường Châu và Thái Châu rộng, sâu và có dòng chảy biến động. Móng cầu phải chống chịu dòng nước và đứng vững trong các lớp đất sét pha bùn, cát dày. Hai trụ chính đặt trên các giếng chìm hở khổng lồ, về cơ bản là những khối rỗng bằng thép và bê tông được hạ xuống đáy sông. Dự án sử dụng đáy giếng chìm dạng bậc, giúp giảm xói quanh kết cấu và giảm trọng lượng bản thân, từ đó hạ thấp rủi ro khi lắp đặt. Các tính toán ban đầu cho thấy cần hạ giếng sâu hơn 65 meters mới chạm tới các lớp đất chịu lực đủ tốt. Những kỹ thuật mới do đội ngũ dự án phát triển giúp các kỹ sư giảm chiều cao giếng chìm mà vẫn duy trì độ ổn định.

Các nghiên cứu học thuật dựa trên địa điểm xây dựng cầu Trường Thái cho thấy cách móng cầu ứng xử trong quá trình thi công. Các nhà nghiên cứu dùng ba phương pháp để ước tính độ lún, tức chuyển động đi xuống xảy ra khi đất cố kết dưới tải trọng. Họ áp dụng phương pháp tính tổng theo từng lớp, chạy mô phỏng phần tử hữu hạn ba chiều và thực hiện thí nghiệm mô hình ly tâm. Cả ba phương pháp đều dự báo độ lún cuối cùng khoảng 225 millimeters sau khi lắp đặt toàn bộ kết cấu phần trên, với diễn biến gồm các giai đoạn tăng chậm, tăng nhanh rồi ổn định. Các giá trị này nằm trong giới hạn thiết kế và giúp xác nhận trình tự lắp đặt sẽ giữ cầu đúng vị trí.

Việc định vị dưới nước gặp nhiều khó khăn do tầm nhìn hạn chế và dòng chảy mạnh. Để giảm nguy hiểm cho thợ lặn và tăng độ chính xác tại các góc giếng chìm, đội ngũ thi công triển khai robot thông minh có thể tự di chuyển, hút cát lấp bên trong và truyền dữ liệu đo đạc. Các thiết bị này hỗ trợ nhân viên vận hành trên mặt nước và rút ngắn những công đoạn quan trọng khi hạ, đặt móng.

Trụ, cáp và vật liệu

Hai trụ chính có hình thoi, sử dụng hệ kết cấu liên hợp thép và bê tông để kết hợp độ cứng với khả năng biến dạng dẻo. Hình học khác thường này tăng độ ổn định và giúp truyền tải trọng từ cáp văng xuống móng, đồng thời kiểm soát chuyển động khi gió và nhiệt độ thay đổi. Hệ neo cáp bằng lõi bê tông trong hộp thép phân tán lực hiệu quả và hạn chế tập trung ứng suất tại điểm cáp văng đi vào trụ.

Vật liệu mới đóng vai trò nổi bật. Các kỹ sư sử dụng bó cáp sợi carbon để tạo ra những cấu kiện cáp dài, nhẹ, có cường độ cao và ít nhạy cảm với biến động nhiệt độ hơn so với chỉ dùng thép. Dự án cũng đưa vào hệ thống khống chế dọc thích ứng nhiệt độ tại điểm nối giữa trụ và dầm, cho phép kết cấu dịch chuyển có kiểm soát khi mặt cầu giãn nở, co lại theo thời tiết nóng lạnh trong năm. Tài liệu thiết kế nêu tổng khả năng chịu tải lên tới hàng trăm nghìn tấn, bao gồm trọng lượng công trình và tải trọng giao thông lớn. Những lựa chọn này giúp cầu vận hành ổn định qua các chu kỳ hằng ngày và trong thời tiết cực đoan.

Thi công chính xác với mục tiêu đến từng milimet

Việc xây dựng hệ giàn thép và cáp quy mô nhịp cầu dài hơn một kilometer, phục vụ nhiều loại hình giao thông, đòi hỏi phương pháp công nghiệp hóa. Đội ngũ dự án phát triển một cần trục tháp thông minh có khả năng nâng trên 10,000 tonne meters, dùng để làm việc trên cao tại các trụ tháp và đưa những cấu kiện lớn vào đúng vị trí. Họ cũng thiết kế loại cần trục mặt cầu mà họ mô tả là lớn nhất thế giới trong thi công cầu, có thể lắp đặt các đoạn siêu nặng với độ chính xác đến từng milimet. Mối nối cuối của giàn thép tại luồng chính được hàn với sai số căn chỉnh không quá 2 millimeters, đạt được nhờ kiểm soát trắc đạc liên tục và phản hồi kỹ thuật số.

Các nhà máy cung cấp cấu kiện cho công trường sử dụng dây chuyền tự động hóa quy mô lớn, kiểm tra bằng quét laser 3D và quy trình hàn tiêu chuẩn hóa để đảm bảo chất lượng. Trước khi thông xe, cầu trải qua một tuần thử tải vào ban đêm nhằm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả đo. Thử nghiệm căng thẳng nhất đưa 110 xe tải đầy hàng, tổng trọng lượng khoảng 4,400 tonnes, lên nhịp chính. Tổng cộng, các kỹ sư tiến hành hơn 200 tình huống thử tải tĩnh và động, theo dõi phản ứng kết cấu bằng hơn 800 cảm biến, ghi nhận những dịch chuyển rất nhỏ trên tất cả các đoạn. Cầu vượt qua các đợt kiểm tra cuối cùng và được đưa vào khai thác sau khi thử nghiệm xác nhận khả năng chịu lực của kết cấu.

Thi công phức tạp cũng phụ thuộc vào nguồn cung cấp năng lượng đáng tin cậy. Công ty Cung cấp Điện lực Thái Châu thuộc Lưới điện Quốc gia Trung Quốc thành lập nhóm hỗ trợ dự án, đẩy nhanh xử lý các yêu cầu dịch vụ, kiểm tra đường dây bằng thiết bị bay không người lái và sử dụng phương pháp làm việc khi đường dây vẫn đang có điện cùng với kiểm tra nhiệt độ bằng hồng ngoại để duy trì nguồn điện ổn định. Hệ thống hỗ trợ vận hành này giúp công trường đáp ứng tiến độ gấp, đồng thời duy trì nguồn điện cho chiếu sáng an toàn và thiết bị trong quá trình làm việc nhiều ca.

Hành trình sẽ ra sao ngay từ ngày đầu

Cây cầu được thiết kế để phục vụ đường cao tốc, đường đô thị và tuyến đường sắt liên đô thị có tốc độ khai thác tối đa 200 km/h. Tuyến mới giúp hành trình giữa trung tâm Thường Châu và Thái Châu chỉ còn khoảng 20 phút, với thời gian ổn định và dễ dự đoán, đồng thời tạo lộ trình trực tiếp hơn tới sân bay, cảng biển và khu công nghiệp ở hai bên sông. Các đơn vị vận tải hàng hóa có được tuyến kết nối công suất lớn, tránh phải đi đường vòng qua những điểm vượt sông cũ.

Bố trí đường sắt và đường bộ cạnh nhau trên tầng dưới giúp đơn giản hóa các đường dẫn và việc tiếp cận của lực lượng khẩn cấp gần hai đầu cầu. Cả hai tầng cầu đều được trang bị hệ thống theo dõi tình trạng kết cấu, giúp đơn vị vận hành giám sát theo thời gian thực những thay đổi về lực cáp, chuyển động gối cầu và rung động mặt cầu. Khe co giãn và gối cầu được điều chỉnh để phù hợp với biên độ nhiệt độ và gió. Sự kết hợp giữa mặt cầu giàn cứng vững, hệ thống cảm biến dày đặc và hệ số tải trọng thận trọng giúp cầu vận hành êm thuận ngay cả khi giao thông đông đúc và có gió mùa dọc sông.

So sánh với những cây cầu mang tính biểu tượng khác

Nhịp chính dài 1,208 meters của cầu Trường Thái vượt cầu Russky ở Vladivostok, Nga, có nhịp chính dây văng dài 1,104 meters. Trong nhóm cầu treo có những nhịp dài hơn, chẳng hạn cầu Canakkale 1915 của Thổ Nhĩ Kỳ với nhịp chính dài 2,023 meters. Việc chọn hệ dây văng cho cầu Trường Thái phản ánh nhu cầu có mặt cầu rất cứng vững để chịu được tàu cao tốc chạy cạnh giao thông đường bộ, đồng thời hạn chế diện tích đất cần thiết cho những khối neo đồ sộ của cầu treo.

Trung Quốc đã xây dựng hơn một trăm cây cầu lớn dọc dòng chính sông Dương Tử. Mục tiêu có khoảng 240 tuyến vượt sông vào năm 2035 cho thấy các khu vực phát triển nhanh đang phân bổ tải trọng giao thông trên nhiều tuyến thay vì phụ thuộc vào một vài điểm nghẽn. Với nhịp cầu lập kỷ lục và cách bố trí giao thông hỗn hợp, cầu Trường Thái tạo ra một hình mẫu mới cho các công trình vượt sông trong tương lai, nơi kết nối đô thị dày đặc đòi hỏi kết cấu gọn và đa chức năng.

Điểm chính

• Dài 10.3 kilometers (6.4 miles), nối Thường Châu và Thái Châu qua sông Dương Tử
• Nhịp chính dài 1,208 meters (3,960 feet), dài nhất trong số các cầu dây văng
• Là tuyến vượt sông Dương Tử đầu tiên kết hợp đường cao tốc, đường bộ thông thường và đường sắt liên đô thị trên cùng một kết cấu
• Tầng dưới bố trí đường sắt tốc độ 200 km/h (124 mph) và đường bộ cạnh nhau, lần đầu tiên ở quy mô này
• Hai trụ chính cao 350 meters (1,148 feet), sử dụng thiết kế liên hợp hình thoi
• Hai cầu phụ bắc qua các luồng phụ sử dụng vòm giàn thép dài 388 meters, lập kỷ lục về kết cấu dùng chung
• Các móng giếng chìm hở khổng lồ trong đất sét pha bùn có độ lún cuối cùng gần 225 millimeters theo các nghiên cứu
• Các sáng kiến thi công gồm cần trục tháp thông minh có sức nâng trên 10,000 tonne meters và cần trục mặt cầu lớn nhất thế giới
• Độ chính xác khi nối giàn chính nằm trong giới hạn 2 millimeters, được kiểm chứng bằng quét laser 3D và kiểm soát trắc đạc
• Thử tải sử dụng tối đa 110 xe tải với tổng trọng lượng khoảng 4,400 tonnes, trong khi hơn 800 cảm biến theo dõi phản ứng kết cấu
• Thời gian đi lại giữa hai thành phố giảm từ khoảng 80 phút xuống còn khoảng 20 phút, tăng cường mạng lưới đồng bằng sông Dương Tử