Xuất hiện đoàn tàu nặng 272 tấn lướt băng băng trên mặt hồ: Kỳ tích lịch sử, chưa từng có tiền lệ

Bài toán "bất khả thi" giữa lòng hồ Washington

Hồ Washington, nằm giữa thành phố Seattle và khu vực bờ Đông (Bellevue, Redmond) thuộc bang Washington (Mỹ), từ lâu đã là một chướng ngại vật địa lý đầy thách thức đối với hệ thống giao thông công cộng. Hồ nước này có độ sâu lên tới hơn 60 mét, với đáy hồ là một lớp bùn nhão phù sa dày hàng chục mét.

Địa hình lòng đống bùn yếu khiến việc cắm các trụ cầu cố định xuống đáy hồ hoặc đào hầm đường ngầm xuyên qua lòng nước trở nên bất khả thi về mặt kỹ thuật lẫn chi phí. Giải pháp duy nhất được triển khai từ giữa thế kỷ 20 là xây dựng các cây cầu phao lớn, tựa trên các khối phao bê tông rỗng khổng lồ neo giữ bằng hệ thống dây cáp dưới lòng nước.

Tuy nhiên, đặt xe ô tô chạy trên cầu phao đã khó, đưa một tuyến tàu điện mặt đất nặng khoảng 272 tấn hoạt động trên đó lại là bài toán chưa từng có tiền lệ. Đường sắt truyền thống đòi hỏi nền đường phẳng và cố định tuyệt đối. Trong khi đó, mặt cầu phao là một thực thể "sống", liên tục uốn lượn, nhấp nhô và dịch chuyển dưới tác động của sóng, gió, sự thay đổi mực nước theo mùa cũng như sự co giãn nhiệt.

Để giải quyết bài toán này, dự án nâng cấp cầu phao Homer M. Hadley Memorial thuộc hệ thống đường bộ Interstate 90 (I-90) đã được triển khai, biến nơi đây thành tuyến đường sắt chở khách đầu tiên trên thế giới vận hành mượt mà trên một cấu trúc cầu phao nổi.

"Cầu ray 6 trục" - Kỹ thuật hóa giải chuyển động đa chiều

Thách thức lớn nhất đối với các kỹ sư của Sound Transit là làm thế nào để đường ray không bị bẻ gãy hay uốn cong quá mức nguy hiểm khi tàu đi từ phần cầu cố định đất liền sang phần cầu phao đang bồng bềnh trên nước.

Mặt cầu phao không chỉ di chuyển lên xuống theo mực nước mà còn chịu chuyển động trên cả 6 trục tự do. Nếu không có cơ chế triệt tiêu lực, sự sai lệch dù chỉ vài milimét giữa các khớp nối đường ray cũng có thể làm đoàn tàu trật bánh ở tốc độ cao.

Dựa trên nguyên lý của các khớp cách ly địa chất dùng trong các công trình chống động đất lớn, các nhà thiết kế đã sáng tạo ra hệ thống "cầu ray linh hoạt". Đây là một cơ chế cơ khí phức tạp gồm các bản lề quay và gối tựa trượt, cho phép các thanh ray liên tục điều chỉnh góc độ và độ dài một cách tự động theo thời gian thực.

Hệ thống khớp nối này có khả năng hấp thụ chuyển động uốn lượn của cầu theo cả 6 hướng mà vẫn giữ cho bề mặt tiếp xúc của bánh tàu luôn phẳng tuyệt đối. Nhờ đó, các đoàn tàu nhẹ thuộc tuyến Link 2 Line có thể di chuyển an toàn qua đoạn chuyển tiếp với tốc độ lên tới 88 km/h (55 mph) mà hành khách bên trong hầu như không cảm nhận được sự rung lắc.

Trước khi lắp đặt thực tế, mô hình đường ray thu nhỏ và quy mô full-scale đã được đưa tới Trung tâm Công nghệ Vận tải tại Colorado để kiểm thử áp lực. Hơn 10.000 cảm biến đã được gắn lên đường ray và toa xe để mô phỏng hàng triệu lượt tàu chạy dưới các điều kiện thời tiết khắc nghiệt nhất.

Trận chiến ngầm: Chống dòng điện rò rỉ và ăn mòn điện hóa

Bên cạnh bài toán cơ học, dự án còn đối mặt với một mối nguy hiểm thầm lặng nhưng có thể phá hủy toàn bộ cấu trúc hạ tầng: hiện tượng ăn mòn điện hóa do dòng điện rò rỉ.

Tàu điện nhẹ hoạt động nhờ dòng điện một chiều (DC) điện áp cao cung cấp từ hệ thống dây cáp trên cao và quay trở lại nguồn qua đường ray. Nếu đường sắt không được cách điện hoàn hảo với hạ tầng bên dưới, một phần dòng điện sẽ rò rỉ vào các thanh thép gia cường nằm bên trong 38 khối phao bê tông rỗng.

Dòng điện rò rỉ này sẽ kích hoạt quá trình điện phân cực mạnh, khiến lõi thép bên trong bê tông bị ăn mòn với tốc độ phi mã. Nếu bê tông phao bị nứt hoặc suy giảm cấu trúc, cầu phao có nguy cơ bị chìm.

Để bảo vệ cây cầu có tuổi đời hàng chục năm, các kỹ sư từ Công ty Dịch vụ Kỹ thuật Universal (UTRS) phối hợp cùng Sound Transit đã áp dụng quy tắc thi công cực kỳ khắt khe: Tuyệt đối không được khoan hay tác động làm tổn hại đến bề mặt bê tông.

Giải pháp được đưa ra là thiết kế một lớp cách điện tổng thể bên dưới các bệ đỡ đường ray, kết hợp với hệ thống bảo vệ tự động hóa hoàn toàn. Hệ thống này bao gồm hàng loạt cảm biến liên tục đo đạc điện trở giữa đường ray và đất, tự động thu gom các dòng điện rò rỉ và dẫn an toàn về các bãi tiếp địa trên đất liền trước khi chúng kịp xâm nhập vào phần móng bê tông của cầu.

Tầm nhìn 60 năm và cuộc cách mạng kết nối giao thông đô thị

Tuyến đường sắt trên cầu phao không đơn thuần là một thành tựu kỹ thuật đột phá, mà còn là kết quả của một tầm nhìn quy hoạch kéo dài hơn sáu thập kỷ.

Ý tưởng nối liền hai bờ hồ Washington bằng phương tiện giao thông công cộng khối lượng lớn đã xuất hiện từ thập niên 1960 trong sáng kiến "Forward Thrust". Đến năm 1976, chính quyền địa phương đã đạt được thỏa thuận mang tính lịch sử: khi xây dựng lại cây cầu phao I-90 mới, làn đường ở giữa sẽ được thiết kế sẵn để có thể chuyển đổi thành đường sắt trong tương lai.

Sau nhiều năm, tuyến Crosslake Connection thuộc Sound Transit 2 Line đã chính thức đi vào vận hành thương mại.

Tuyến đường sắt dài hơn 29 km này rút ngắn thời gian di chuyển giữa trung tâm Seattle và khu công nghệ Bellevue/Redmond xuống chỉ còn khoảng 25 phút. Quan trọng hơn, nó hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi tình trạng tắc nghẽn giao thông vốn thường xuyên xảy ra trên các làn đường bộ I-90 vào giờ cao điểm.

Công trình này mở ra một chương mới cho ngành kỹ thuật hạ tầng thế giới, chứng minh rằng các hệ thống đường sắt đô thị hiện đại hoàn toàn có thể chinh phục những vùng nước sâu nguy hiểm mà không cần đến những cây cầu treo tốn kém hàng tỷ USD.