I.Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu:

Với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, nền văn minh nhân loại và nền kinh tế toàn cầu luôn có một sự hậu thuẫn vững chắc. Trong nền kinh tế đó, các đô thị đóng vai trò là hạt nhân cho sự phát triển của mỗi quốc gia và của toàn thế giới. Các đô thị là trung tâm chính trị, văn hoá, tài chính; là nơi tập trung của tất cả các nguồn tài nguyên tinh tuý nhất của xã hội: nguồn nhân lực chất lượng cao, các công nghệ hiện đại, nguồn tài chính dồi dào... Do đó, tốc độ tăng trưởng kinh tế của một nước có quan hệ tỷ lệ thuận với tốc độ đô thị hoá của nước đó.

Tuy nhiên loài người luôn ý thức được rằng, các nguồn tài nguyên chúng ta có trong tay đều là hữu hạn. Đất đai là một trong những tài nguyên đó. Tốc độ đô thị hoá càng cao, quỹ đất càng bị thu hẹp. Trong khi đó, nếu coi mỗi đô thị là một đầu mối của nền kinh tế, thì hạ tầng, mà cụ thể hơn là giao thông trong đô thị, giữa các đô thị với nhau là nhân tố quan trọng nhất để tạo điều kiện phát triển kinh tế.

Sự gia tăng dân số đô thị, cả cơ học và sinh học, đã và đang đè gánh nặng lên hạ tầng giao thông của tất cả các quốc gia trên thế giới. Và một giải pháp cực kỳ hiệu quả, được sử dụng trên thế giới từ rất lâu: hệ thống vận chuyển hành khách tốc hành công cộng (rapid transit), hay cụ thể hơn, là hệ thống tầu điện ngầm (metro). Metro là hệ thống vận chuyển hành khách công cộng lớn trong đô thị và giữa các đô thị với nhau và thường ở cao trình khác so với các hệ thống giao thông khác trên mặt đất.

Đã có hơn 160 thành phố có hệ thống metro và tại khoảng 25 thành phố, hệ thống này đang được xây dựng. Mặc dù giá thành xây dựng rất cao nhưng hệ thống metro lại có khả năng vận chuyển hành khách cực lớn, tiết kiệm diện tích xây dựng, ít tác động tiêu cực đến môi trường, do đó hiệu quả kinh tế - xã hội thực tế của nó lại lớn hơn giá thành rất nhiều.

Metro rõ ràng là hình thức vận chuyển hành khách công cộng hiệu quả và văn minh nhất. Điều này được chứng tỏ một cách rộng rãi trên thế giới: các nước phát triển đều có hệ thống metro, các nước đang phát triển nhanh chóng như Trung Quốc, Ấn Độ đều đang đầu tư những khoản vốn khổng lồ để xây dựng hệ thống vận chuyển hành khách công cộng này.

Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế chung tất yếu đó. Chủ trương của Đảng và Nhà nước ta về mục tiêu đầu tư phát triển được chỉ rõ trong các văn kiện gần đây, trong đó có tăng cường năng lực giao thông công cộng, dự kiến trong 15, 20 năm tới phải có hệ thống metro tại một số đô thị lớn để phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội địa phương và cả nước. Do đó các bộ máy lập pháp, các bộ ngành liên quan, các trường đại học và viện nghiên cứu cũng đang có những kế hoạch của riêng mình để chuẩn bị tốt nhất về nhân tài và vật lực, chào đón các dự án rất lớn này.

II. Tình hình và kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới:

         Trên thế giới, thi công xây dựng hệ thống tầu điện ngầm không phải là vấn đề mới. Nhiều nước đã có kinh nghiệm hàng trăm năm trong lĩnh vực này (hệ thống metro đầu tiên được xây dựng là tại London, Anh, năm 1861. Một số thành phố lớn vẫn đang tiếp tục quá trình xây dựng metro, điển hình như Dubai (UAE), Bắc Kinh (Trung Quốc)... Trong khu vực Đông Nam Á, Malaysia, Thái Lan, Singapore, Philippines là những quốc gia sở hữu hệ thống metro.

Bảng xếp hạng các quốc gia có hệ thống metro theo quy mô

         Metro được hiểu là không chỉ “ngầm dưới đất”, nó gồm có nhiều phần: phần nằm dưới mặt đất, phần nằm ngay trên mặt đất, và phần nằm trên cao (đường sắt trên cao). Trong đó, phần khó khăn nhất cả về công nghệ cũng như tổ chức thi công là phần ngầm dưới đất: thi công tunnel. Khó khăn này đến từ nhiều yếu tố: cấu trúc địa chất công trình, địa chất thuỷ văn; thi công trong điều kiện phía trên đã có công trình, thậm chí với móng sâu; thi công trong lòng đất nhưng vẫn phải duy trì hoạt động giao thông trên mặt đất diễn ra bình thường; yếu tố quản lý chất lượng, quản lý tiến độ... Ngoài ra, giá thành xây dựng metro là cực kỳ tốn kém, đến hàng trăm triệu USD cho 1km chiều dài tuỳ thành phố.

         Về mặt công nghệ, hiện nay thế giới đã tổng kết được 4 phương pháp thi công tunnel: phương pháp đào hở, phương pháp đào bằng máy, phương pháp NATM và phương pháp ép đẩy.

1. 1.Phương pháp đào hở (cut-and-cover):

Là phương pháp đơn giản nhất, áp dụng với những tunnel có độ sâu không lớn. Trình tự chung là: đào rãnh, xây dựng mái tunnel, xây dựng hệ kết cấu đỡ các công trình phía trên. Có hai phương pháp đào hở:

-          Phương pháp từ dưới lên (bottom-up): đào rãnh, xây dựng tunnel bằng bêtông (đổ tại chỗ hoặc đúc sẵn) hoặc bằng thép. Sau đó đổ vật liệu bù lên mái tunnel để đạt được cao trình thiết kế.

-          Phương pháp từ trên xuống (top-down): dùng trong điều kiện mặt bằng tuyến chật hẹp, yêu cầu sớm có mặt bằng phía trên để sử dụng. Trong phương pháp này, tường tunnel được xây dựng trước mà không cần đào đất, bằng cách khoan tường barrette hoặc ép cừ bêtông cốt thép đúc sẵn. Sau đó tiến hành đào rãnh nông để đổ bêtông mái tunnel. Đào đất trong tunnel, cuối cùng đổ bêtông nền tunnel.

1. 2.Phương pháp đào bằng máy (Tunnel boring machines - TBMs):

Các loại máy đào có thể tự động hoá công tác thi công tunnel đáng kể. Có rất nhiều loại máy để đào các loại đất khác nhau, có loại có khả năng tự cân bằng áp lực của bentonite, áp lực đất... do đó có thể hoạt động sâu phía dưới mực nước ngầm. Với các ưu điểm của nó, ngày nay phương pháp thi công này được sử dụng rộng rãi hơn so với phương pháp đào hở truyền thống.

1. 3.Phương pháp NATM (New Austrian Tunnelling Method):

Phương pháp này được phát triển từ những năm 1960. Tư tưởng chủ đạo của nó là sử dụng chính áp suất của đất xung quanh để làm cân bằng tunnel. Bằng cách nghiên cứu tính toán kỹ điều kiện địa chất, tunnel sẽ được thiết kế với một tiết diện tối ưu xác định, tự cân bằng ngoại lực tác dụng, do đó đạt được 2 mục đích: tiết kiệm được vật liệu làm tunnel, hạn chế đến mức thấp nhất sự biến đổi địa chất lân cận công trình.

Với NATM, ngày nay việc xây dựng thậm chí 10km tunnel đi qua vùng đất yếu là hoàn toàn khả thi.

1. 4.Phương pháp ép đẩy (pipe-jacking):

Phương pháp này sử dụng các kích thuỷ lực để đẩy các đoạn tunnel đúc sẵn phía sau máy đào, được sử dụng khi xây dựng tunnel bên dưới các công trình có sẵn như đường ôtô, đường sắt.

Các phương pháp trên đều có ưu và nhược điểm riêng, do đó chúng vẫn song song tồn tại. Việc lựa chọn phương pháp nào trong thi công tunnel căn cứ vào tình hình thực tế của dự án, các điều kiện tự nhiên cũng như trình độ kỹ thuật, khả năng tài chính của các bên liên quan và đòi hỏi tính toán cụ thể, kỹ lưỡng.

III. Các vấn đề có thể nghiên cứu tiếp:

Trong khi nhiều nước đã có kinh nghiệm hàng trăm năm trong lĩnh vực thi công hệ thống metro thì ở Việt Nam lại chưa hề có hệ thống này. Chúng ta đã có một số công trình tương tự như hầm vượt Hải Vân, hầm vượt sông Thủ Thiêm... Tuy nhiên, điều kiện thi công metro trong thành phố chịu rất nhiều ràng buộc về mặt không gian, tiến độ cũng như các nguy cơ rủi ro trong quá trình thi công và vận hành. Việc quản lý xây dựng cũng vô cùng khó khăn vì khối lượng công tác lớn, giá thành cao, phần lớn các công tác diễn ra sâu trong lòng đất. Như vậy có thể kết luận: đến thời điểm này, Việt Nam chưa có kinh nghiệm trực tiếp thi công metro cũng như kinh nghiệm quản lý hoạt động này nếu thuê nhà thầu nước ngoài.

Với những dự án lớn như vậy, cần có một chiến lược đúng đắn và đồng bộ từ chủ trương đầu tư, quy hoạch, lựa chọn nhà thầu, lựa chọn công nghệ, quản lý quá trình thi công... thì mới đảm bảo được hiệu quả kinh tế xã hội của dự án, đảm bảo mục đích đầu tư.

Mặt khác, cũng do quy mô dự án lớn như vậy, đôi khi chỉ cần những nghiên cứu cải tiến rất nhỏ cũng có thể mang lại hiệu quả to lớn, nâng cao chất lượng, đẩy nhanh tiến độ, giảm bớt giá thành và hạn chế rủi ro.

Như tên gọi của đề tài, luận án này dự kiến nghiên cứu công nghệ thích hợp và phương pháp quản lý tương ứng khi thi công xây dựng hệ thống metro tại Việt Nam, góp phần vào sự chuẩn bị cho những dự án vào loại lớn nhất tại Việt Nam đầu thế kỷ 21.

                                                   Th.S Nguyễn Anh Đức – BM Công nghệ và Quản lý XD