Thiết kế đường bãi cảng

THIẾT KẾ ĐƯỜNG BÃI CẢNG

Ths. Nguyễn Kim Tuấn, Ths. Nguyễn Phú Khánh

Công ty CP tư vấn xây dựng Cảng – Đường thủy

Tóm tắt : Bài báo giới thiệu một phương pháp thiết kế đường bãi cảng – sử dụng Heavy Duty Pavement (HDP), trên cơ sở những ứng dụng ban đầu trong một số dự án cảng đưa ra những đánh giá mở đầu về khả năng áp dụng phương pháp này trong thiết kế đường bãi cảng tại Việt Nam.

1. Đặt vấn đề

Đường bãi trong cảng là một trong các bộ phận cấu thành chính của mọi bến cảng (khu nước trước bến, bến cập tàu và khu đường bãi). Tại mỗi bến cảng, Đường bãi giữ vai trò quyết định trong việc định hình phương thức công nghệ, năng suất và hiệu quả trong quá trình vận hành khai thác cảng. Việt Nam hiện chưa có tiêu chuẩn thiết kế riêng về thiết kế đường bãi trong cảng nên các kỹ sư thiết kế thường vận dụng các tiêu chuẩn thiết kế về đường giao thông là Quy trình thiết kế áo đường cứng 22TCN 223-95, Quy trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 và tham khảo tiêu chuẩn TCVN 4054 Đường ô tô – Yêu cầu thiết kế.

Hoạt động khai thác đường bãi trong cảng có nhiều yếu tố đặc thù, khác với đường giao thông như: i) Không gian bị giới hạn và có nhiều giao cắt ii) Phương tiện vận tải rất đa dạng  với phương thức di chuyển rất phức tạp iii) Mật độ lớn nhưng tốc độ di chuyển không cao iiii) Phanh hãm, dừng đỗ và tăng tốc xảy ra thường xuyên và ở nhiều nơi  cho nên việc áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô thông thường cho thiết kế đường bãi trong cảng là chưa thực sự phù hợp

Bài báo này sẽ giới thiệu những kết quả ứng dụng ban đầu và đánh giá mở đầu về khả năng áp phương pháp thiết kế đường bãi Heavy Duty Pavement (HDP) trong thiết kế đường bãi cảng tại Việt Nam.

2. Phương pháp tính toán kết cấu đường bãi cảng Heavy Duty Pavement

HDP được đưa ra và sử dụng từ những năm 1970, cho đến nay đã xuất bản đến phiên bản thứ 6. Trong gần 40 năm tồn tại, Heavy duty pavement được phổ biến rộng rãi ở Mỹ, ở Châu Âu và được xem như tiêu chuẩn thiết kế đường bãi hạng nặng và bãi trong khu công nghiệp. Sau những nghiên cứu, đánh giá trên những thống kê thực tại các cảng lớn ở Châu Âu và Mỹ; HDP cung cấp phương pháp thiết kế kết cấu đường bãi rất nhanh chóng và đơn giản trên cơ sở phương tiện, thiết bị khai thác là các phương tiện thiết bị thực tế sử dụng trong cảng.

2.1. Sơ đồ dòng chảy thiết kế

Quy trình thiết kế đường bãi cảng theo Heavy Duty Pavement có thể sơ đồ hóa như sau:​

Kết cấu đường bãi cảng tính toán theo Heavy Duty Pavement về cơ bản được xác định trên cơ sở tra biều đồ, với 2 thông số cần xác định là Tải trọng đơn quy đổi (Single Equivalent Wheel load) và số lượt lặp quy đổi (Passes).

Heavy Duty pavement xây dựng 2 biểu đồ tra bề dày quy đổi kết cấu đường bãi cảng với kết cấu đường bãi chịu 2 dạng tải trọng:

          + Biểu đồ chi kết cấu đường bãi – tải trọng động

          + Biểu đồ cho kết cấu bãi – tải trọng tĩnh (vị trí Tấm kê bê tông, bệ cố định)

Như vậy, việc thiết kế đường bãi trong cảng theo HDP đưa về việc tính toán hai thông số:

          + Tải trọng đơn quy đổi (Single Equivalent Wheel load)

          + Số lượt lặp quy đổi (Passes).

2.2. Xác định lưu lượng hàng hóa và lượt di chuyển các phương tiện, thiết bị

2.2.1.Quy trình hàng hóa thông qua cảng

Quy trình hàng hóa thông qua cảng được khái quát như sau:

Trong đó:

          Ship:   Tàu hàng                                                         Yard:               Bãi hàng

          CFS:   Kho làm hàng (cảng Container)                     Shipper:           Chủ hàng

          Cargo:    Có hàng                                                       Empty:            Rỗng

2.2.2. Phân vùng đường bãi trong cảng

Trên cơ sở phân tích quy trính hàng qua cảng, không gian đường bãi trong cảng được phân vùng tương ứng với chức năng vùng và yêu cầu khai thác của cảng. Khi đó đường bãi cảng về cơ bản phân chia thành những vùng sau:

          + Đường: Đường giao thông, đường các thiết bị di chuyển theo tuyến, thiết bị nâng hạ.

          + Bãi: Bãi Container hàng, bãi Container lạnh, bãi Container rỗng, bãi tổng hợp.

          + Kho: Kho CFS, kho hàng tổng hợp.

2.2.3. Bố trí giao thông trong cảng & lượt phương tiện di chuyển

Trong mỗi phân vùng đường bãi cảng có một số loại phương tiện, thiết bị hoạt động và di chuyển. Các hoạt động, di chuyển này tuân thủ những quy tắc sau:

          + Các phương tiện, thiết bị hoạt động đúng chức năng vai trò cho hiệu quả cao nhất;

          + Hạn chế tối đa di chuyển giao cắt giữa các phương tiện, thiết bị;

          + Bố trí số lượng phương tiện, thiết bị phù hợp trong từng phân vùng đường bãi;

Hình 5.Ví dụ về bố trí giao thông trong cảng & lượt phương tiện di chuyển

Mỗi phân vùng đường bãi trong cảng xác định được 2 yếu tố:

          + Phương tiện, thiết bị nào hoạt động hay di chuyển;

          + Lưu lượng phương tiện, thiết bị hoạt động, di chuyển.

2.3. Xác định tải trọng bánh xe thiết kế và lượt lặp quy đổi

Tải trọng bánh xe thiết kế được xác định theo công thức:

G_tt = G . P_F . F_D / m                                        (1)

Trong đó:         G_tt:       Tải trọng bánh xe thiết kế

                        G:        Tải trọng trục bánh xe

                        P_F:       Hệ số ảnh hưởng

                        F_D:       Hệ số động

                        m:        Số bánh xe trên trục xe

2.3.1.Hệ số ảnh hưởng P_F

Hệ số ảnh hưởng: Tải trọng bánh xe được gia tăng trong trường hợp xem xét ảnh hưởng tải trọng từ các bánh xe khác trong vùng ảnh hưởng.

Các trường hợp xét ảnh hưởng tải trọng của các bánh xe khác:

2.3.2. Hệ số động

Hệ số động: Tải trọng bánh xe được gia tăng trong trường hợp xem xét các yếu tố trạng thái hoạt động: Phanh hãm, cua, tăng tốc xe bề mặt di chuyển không bằng phẳng. Đây là các yếu tố đặc thù trong đường bãi cảng.

Heavy Duty Pavement cung cấp hệ số động trong các trạng thái hoạt động như sau:

2.3.3.Tải trọng đơn quy đổi & số lượt lặp quy đổi

Tải trọng của từng bánh xe trong phương tiện, thiết bị được quy đổi về một tải trọng gọi là tải trọng đơn quy đổi với một hệ số đặc trưng là số lượt lặp quy đổi. Số lượt lặp quy đổi xác đinh theo công thức:

Equivelant repetition= 1.0x( Axle load in question/Max axle load of the plant)^3.75

Trong đó:

          Equivelant repetition:                 Số lượt lặp quy đổi;

          Axle load in question:                Tải trọng bánh xe tính toán;

          Max axle load of the plant:        Tải trọng bánh xe lớn nhất

Tương tự như vậy, các phương tiện, thiết bị trên một phân vùng đường bãi cảng được quy đổi về một tải trọng đơn quy đổi và số lượt lặp tải trọng.

2.4. Xác định bề dày yêu cầu của kết cấu đường bãi

2.5. Kiểm toán bề dày các lớp kết cấu đường bãi

3. Khả năng ứng dụng Heavy duty pavement trong tính toán kết cấu đường bãi

Sự phù hợp: Heavy Duty Pavement tính toán trên các thiết bị, phương tiện thực tế khai thác trong đường, bãi cảng. Đây là các phương tiện đặc thù trong cảng và rất khác biệt so với các phương tiện, thiết bị khai thác trên đường giao thông.

Như vậy xét trên yếu tố sự phù hợp – Heavy duty pavement phù hợp trong thiết kế đường bãi cảng.

Tính khoa học: Phân vùng đường bãi trong cảng và giao thông trong cảng được xác định trên cơ sở công nghệ khai thác cảng và bố trí mặt bằng đường bãi cảng.

Tải trọng, lượt lặp tải trọng trong các phân vùng đường bãi đặc trưng bởi các phương tiện thiết bị trong phân vùng đó, không cứng nhắc đồng đều theo cấp đường hay giống nhau trên toàn tuyến.

Điều này phản ánh tính khoa học của phương pháp thiết kế đường bãi cảng theo Heavy Duty Pavement.

Tính khái quát: Về cơ bản trên các nguyên tắc tính toán thiết kế Heavy Duty Pavement đưa ra có thể nhận thấy có thể áp dụng Heavy Duty Pavement trong các dạng kết cấu đường bãi (không phân biệt áo đướng cứng, áo đường mềm...) ® Tính khái quát cao.

Tính ứng dụng: Phương pháp tính toán thiết kế Heavy Duty Pavement đưa ra là đơn giản, khả năng tự động hóa được và cho phép xác định nhanh trong trường hợp yêu cầu sơ bộ.

Trong những phiên bản mới, đặc trưng kỹ thuật của các thiết bị, phương tiện khai thác trong đường bãi cảng được Heavy Duty Pavement cập nhật cung cấp những thông số chính xác cho người thiết kế.

Như vậy Heavy Duty Pavement có tính ứng dụng cao.

Với những đánh giá trên đây có thể thấy:

+ Sử dụng Heavy Duty Pavement là phù hợp trong thiết kế đường bãi cảng;

+ Thiết kế đường bãi cảng sử dụng Heavy Duty Pavement là có cơ sở khoa học, phản ánh đúng đặc thù của đường bải cảng;

+ Heavy Duty Pavement có tính khái quát và ứng dụng cao.

4. Áp dụng tính toán thiết kế

Ứng dụng Heavy Duty Pavement trong tính toán thiết kế đường bãi cảng dự án “ĐTXD công trình bến số 5, số 6 thuộc bến cảng Cửa Lò”

4.1.Thông số đầu vào

4.1.1.Lượng hàng

Lượng hàng qua bến số 5&6 cảng Cửa Lò giai đoạn chỉ có bến số 5 có cơ cấu và phân bổ khối lượng theo chủng loại như sau:

Bảng 3.Lượng hàng thông qua cảng

Cơ cấu phân bổ lượng hàng qua kho bãi được dự kiến như sau:

Bảng 4.Cơ cấu lượng hàng thông qua cảng

4.1.2.Mặt bằng đường bãi

Bố trí mặt bằng phân khu chức năng đường bãi như hình dưới đây;

Hình 7.Mặt bằng bố trí phân khu đường bãi cảng

4.1.3.Phương tiện khai thác trong cảng

Thiết bị vận tải, bốc xếp trong các phạm vi đường bãi cảng bao gồm:

          + Đường giao thông:                                         Xe Container 20,40’

          + Đường quanh bãi hàng (B1):                         RTG trên dầm BTCT

          + Đường quanh bãi lạnh (B2):                          Reach Stacker

          + Đường quanh bãi hàng, rỗng (B3):    Reach Stacker

4.1.4.Các giả thiết tính toán

          + Tỷ lệ giữa lượng container 20’ và container 40’ là 50:50;

          + Thời gian thiết kế đường bãi trong cảng: 30 năm;

4.2. Nội dung tính toán

4.2.1. Xác định số lượt di chuyển của các phương tiện

Số lượt di chuyển của các phương tiện được tính toán cho 30 năm như sau:

Bảng 5.Số lượt di chuyển (30 năm)

4.2.2.Số lượt tải trọng quy đổi

Tải trọng bánh xe lớn nhất và số lượt lặp cho từng khu vực đường bãi trong cảng được tập hợp trong bảng sau:

Bảng 6.Số lượt tải trọng lặp quy đổi

4.2.3. Xác đinh bề dày kết cấu đường bãi theo vật liệu quy đổi

Chiều dày kết cấu đường bãi theo từng khu vực được xác định bằng tra biểu đồ và có chiều dày tương đương với vật liệu bê tông C8/10.

Hình 8: Đồ thị tra bề dày yêu cầu – Vị trí  đường bãi + Vị trí tấm kê

Bảng 7.Chiều dày kết cấu yêu cầu

4.3. Thiết kế chiều dày kết cấu đường bãi cảng

Từ việc xác định chiều dày yêu cầu đường bãi trong cảng theo vật liệu C8/10, lựa chọn các loại vật liệu và chiều dày vật liệu cho các khu vực đường bãi bằng cách sử dụng hệ số vật liệu tương đương.

Bảng 8.Hệ số vật liệu đường bãi cảng

Kết cấu đường bãi tương ứng các khu vực như sau:

Bảng 9.Đường giao thông (kết cấu đường bãi loại 1)

Bảng 10.Đường quanh bãi hàng – Reach Stacker (kết cấu đường bãi loại 2)

Bảng 11.Kết cấu đường bãi vị trí dầm RTG

Bảng 12.Kết cấu đường bãi vị trí tấm kê Container

5. Những đánh giá mở đầu

5.1.Những nhận định về phương pháp

Do tính chất đặc thù, việc nghiên cứu phương pháp thiết kế đường bãi cảng là cần thiết trong bối cảnh áp dụng các quy chuẩn thiết kế đường giao thông là chưa hẳn phù hợp.

Heavy Duty Pavement là tài liệu thiết kế bãi hạng nặng và đường công nghiệp đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, việc xem xét sử dụng Heavy Duty Pavement trong thiết kế đường bãi cảng là vấn đề đáng lưu tâm.

Thiết kế đường bãi cảng theo Heavy Duty Pavement là phù hợp với những đặc thù riêng của đường bãi cảng; trên cơ sở tin cậy và đây là phương pháp có tính khái quát, tính ứng dụng cao.

5.2.Vài kiến nghị về phương pháp

Xem xét tạo điều kiện để áp dụng Heavy Duty Pavement trong thiết kế đường bãi thuộc các dự án cảng do công ty thực thiện, qua đó chính xác hóa trong tính toán thiết kế và hướng đến tự động hóa trong các khâu tính toán thiết kế đường bãi cảng.

6. Tài liệu tham khảo

TCVN 4054: 2005 Đường ô tô – Yêu cầu thiết kế.

TCVN 6476: 1999 Gạch bê tông tự chèn.

Quy trình thiết kế áo đường cứng 22TCN 223-95.

Quy trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-93.

Hướng dẫn thiết kế kết cấu mặt đường bãi do hiệp hội quốc gia các cơ quan cầu đường Úc NAASRA ban hành “Technical Basis of Austroads pavement Design Guide”

Thiết kế bãi Container theo hướng dẫn cảu liên hiệp cảng Anh BFP và hiệp hội chình quyền cảng Mỹ AAPA

Container terminal and intermodal rail yard operational area consideration for pavement design – The port of LosAngeles.

The Structural design of heavy duty pavement for port and other indutries – HEAVY DUTY PAVEMENT

Các tin tức khác:

Thiệp chúc mừng năm mới 2023 của Chủ tịc...

Hội Cảng – Đường thủy – Thềm lục địa Việ...

Trao quyết định bổ nhiệm Giám đốc Trung ...

Cân nhắc bổ sung khu bến cảng Triệu Lăng vào quy hoạch cảng biển

PHỐI CẢNH QUY HOẠCH CẢNG TRẦN ĐỀ - CẢNG BIỂN SÓC TRĂNG.

Bài phát biểu chào mừng hội nghị khoa học “Chuyển đổi số trong phát triển, quản lý hạ tầng giao thông và công nghệ bê tông dự ứng lực trong xây dựng kết cấu mặt đường sân bay ở Việt Nam”

Hội nghị khoa học “Chuyển đổi số trong phát triển, quản lý hạ tầng giao thông và công nghệ bê tông dự ứng lực trong xây dựng kết cấu mặt đường sân bay ở Việt Nam”

Họp thường trực mở rộng của Hội cảng-đường thuỷ-thềm lục địa Việt Nam

Kết luận của chủ tịch tại cuộc họp thường trực Ban Chấp hành Hội Cảng thủy thềm lục địa Việt Nam