Nhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thác

Nhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thácNhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS ĐÀO DUY LÂM

2 TS NGUYỄN TRỌNG ĐỒNG

Hà Nội, 05-2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình Tất cả những nội dung,

số liệu, báo cáo cũng như kết quả nghiên cứu trong đề tài này được đảm bảo tính

trung thực tuyệt đối Đồng thời, nội dung của công trình nghiên cứu này chưa được

công bố ở bất kì đâu

Tác giả luận án

Lê Đức Anh

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành được luận án tiến sĩ của mình, nghiên cứu sinh xin được

bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Đào Duy Lâm và TS Nguyễn Trọng

Đồng đã tận tâm dành quỹ thời gian quý báu, tâm sức và trí tuệ để hướng dẫn tôi trong

suốt thời gian vừa qua

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Công trình,

Bộ môn Công trình giao thông thành phố và công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ tôi xuyên suốt quá trình học tập, nghiên cứu cũng như

hoàn thành đề tại luận án tiến sĩ

Tôi xin chân thành cảm ơn sự góp ý quý báu của các quý thầy cô cũng như các

chuyên gia khác trong ngành đặc biệt là các ý kiến của PGS.TS Hoàng Hà Những

sự góp ý, phản biện này giúp cá nhân tôi có cái nhìn toàn diện và sâu hơn về đề tài luận án mình nghiên cứu cũng như ứng dụng các vấn đề chuyên môn vào thực tiễn

Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và lãnh đạo cơ quan đã tạo những điều

kiện tốt nhất trong công việc để tôi có thể hoàn thành những nghiên cứu của mình

Và cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả thành viên trong gia đình tôi vì sự động

viên to lớn mà họ đã dành cho tôi suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu

Tác giả luận án

Lê Đức Anh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN VỀ RỦI RO VÀ QUẢN LÝ RỦI RO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC 6

1.1 Tổng quan về rủi ro và quản lý rủi ro 6

Khái niệm chung về rủi ro 6

Khái niệm chung về quản lý rủi ro 8

1.2 Quản lý rủi ro đối với các công trình xây dựng cầu 13

Nguy cơ rủi ro đối với các công trình cầu 13

Một số trường hợp rủi ro công trình cầu và cầu trên đường ô tô cao tốc 14

Phân tích rủi ro kỹ thuật đối với công trình cầu 25

1.3 Các mô hình ứng phó và quản lý rủi ro hiện đại 30

1.4 Các yêu cầu kỹ thuật trong thi công và vận hành khai thác công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 32

1.5 Hiện trạng về quản lý rủi ro công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong thi công và khai thác 37

Sự cần thiết quản lý rủi ro đối với cầu trên đường ô tô cao tốc 37

Hiện trạng các nghiên cứu rủi ro và quản lý rủi ro đối với công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 38

1.6 Kết luận Chương 1 42

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHẬN DẠNG VÀ ĐÁNH GIÁ RỦI RO KỸ THUẬT VẬN DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC 43

2.1 Cơ sở lý thuyết nhận dạng rủi ro đối với công trình cầu 43

2.2 Các phương pháp nhận dạng rủi ro hiện đại 45

Mục đích và căn cứ nhận dạng rủi ro 45

Các phương pháp nhận dạng và phân loại rủi ro hiện đại 47

2.3 Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn phương pháp nhận dạng rủi ro trong quản lý rủi ro các công trình xây dựng 57

2.4 Đề xuất phương pháp nhận dạng rủi ro phù hợp cho các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công và khai thác 62

Căn cứ dùng để phân tích lựa chọn phương pháp nhận dạng rủi ro đối với công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 62

Đề xuất phương pháp nhận dạng rủi ro phù hợp cho các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công và khai thác 64

Cơ sở về học máy - Machine Learning 70

2.5 Kết luận Chương 2 74

NHẬN DẠNG, ĐÁNH GIÁ RỦI RO KỸ THUẬT TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG VÀ KHAI THÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC 75

3.1 Các rủi ro kỹ thuật đối với công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 75

Nguyên nhân gây ra các rủi ro kỹ thuật 75

Tác động của các rủi ro kỹ thuật 78

3.2 Phân tích theo các nhóm nguyên nhân dẫn đến rủi ro kĩ thuật của công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công 79

Phân tích theo nhóm nguyên nhân gây rủi ro xảy ra theo từng bước của giai đoạn thi công 79

Phân tích theo nhóm nguyên nhân gây rủi ro liên quan đến các chủ thể tham gia giai đoạn thi công 80

Phân tích nhận dạng theo nhóm nguyên nhân gây rủi ro đối với các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công 86

3.3 Phân tích rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công 89

3.4 Xác định nhóm nguyên nhân và phân tích rủi ro kỹ thuật công trình cầu

trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn vận hành khai thác 96

3.5 Đánh giá, phân tích rủi ro kỹ thuật thực tế tại công trình đường ô tô cao tốc 108

Khảo sát thực tế 108

Rủi ro kỹ thuật thực tế 109

Khảo sát ý kiến chuyên gia 110

3.6 Đề xuất mô hình nhận dạng, phân tích đo lường mức độ rủi ro kỹ thuật 112 Mô hình F-AHP 112

Mô hình nơ ron và trí tuệ nhân tạo 113

Các mô hình khác 115

3.7 Khung quản lý rủi ro các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 115

3.7.1 Lựa chọn các phương án xử lý rủi ro 117

3.7.2 Đánh giá khả năng chấp nhận rủi ro 119

3.7.3 Mức độ nghiêm trọng và tần suất của rủi ro được đánh giá sau khi xác định được yêu cầu và biện pháp giảm thiểu rủi ro 119

3.8 Kết luận chương 3 120

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN MACHINE LEARNING VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ RỦI RO CÁC CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC TRONG VẬN HÀNH KHAI THÁC 121

4.1 Sự cần thiết của việc ứng dụng ML/AI trong quản lý rủi ro để nâng cao năng lực công tác bảo trì công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 121

4.2 Xây dựng thuật toán Machine Learning đánh giá rủi ro công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong vận hành khai thác 123

4.3 Đánh giá và dự báo rủi ro kỹ thuật cầu trên đường ô tô cao tốc trong vận hành khai thác sử dụng Machine Learning 127

4.3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu 127

4.3.2 Phân tích dữ liệu và thuộc tính với Random Forest 130

4.3.3 Kiến trúc mạng nơ ron nhân tạo 133

4.3.4 Sử dụng học máy và ứng dụng trong dự án thực tế 134

4.4 Đề xuất xây dựng chương trình đánh giá rủi ro trực tuyến 141

4.5 Đánh giá rủi ro cho dự án cụ thể 141

4.6 Kết luận chương 4 146

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 151

TÀI LIỆU THAM KHẢO 152

PHỤ LỤC I CẤU TRÚC TẬP MỜ DÙNG CHO F-AHP 159

PHỤ LỤC II THỐNG KÊ KHẢO SÁT CẦU TRÊN ĐƯỜNG CAO TỐC 167

PHỤ LỤC III KHẢO SÁT Ý KIẾN CHUYÊN GIA 187

PHỤ LỤC IV CHƯƠNG TRÌNH HỌC MÁY ĐỀ XUẤT 189

BTCT : Bê tông cốt thép ĐCT : Đường ô tô cao tốc DRVN : Cục Đường bộ Việt Nam F-AHP : Phương pháp phân tích thứ bậc sử dụng logic mờ GTVT : Giao thông vận tải

ISO : Tiêu chuẩn ISO JIS : Tiêu chuẩn Nhật Bản NDRR : Nhận dạng rủi ro NTRR : Nhân tố rủi ro PTRR : Phân tích rủi ro QLRR : Quản lý rủi ro

RR : Rủi ro RRKT : Rủi ro kỹ thuật TCCS : Tiêu chuẩn cơ sở TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam ƯPRR : Ứng phó rủi ro

VN : Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại rủi ro theo bản chất nguyên nhân 9

Bảng 1.2: Phân loại rủi ro theo mức độ khống chế có rủi ro 9

Bảng 1.3: Phân loại rủi ro theo tính chất chủ quan và khách quan 10

Bảng 1.4: Phân loại rủi ro theo nơi phát sinh 10

Bảng 1.5: Bảng tổng hợp sự cố nghiên cứu 17

Bảng 1.6: Một số loại rủi ro kỹ thuật công trình cầu 23

Bảng 1.7: Tiêu chí kỹ thuật cơ bản đường ô tô cao tốc 33

Bảng 2.1: So sánh đánh giá phương pháp AHP 55

Bảng 2.2: So sánh lựa chọn phương pháp phù hợp 58

Bảng 2.3: Ví dụ đánh giá định tính rủi ro cho công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 63 Bảng 2.4: Dự báo mức độ của nguy cơ xảy ra sự cố công trình do các nhân tố rủi ro và mức độ tác động 64

Bảng 2.5: Mức độ ưu tiên 66

Bảng 3.1: Các nguyên nhân gây ra các rủi ro kỹ thuật [11] 77

Bảng 3.2: Rủi ro liên quan đến giai đoạn điều tra, khảo sát 83

Bảng 3.3: Rủi ro liên quan đến công tác chuẩn bị mặt bằng xây dựng 83

Bảng 3.4: Rủi ro liên quan đến công tác lựa chọn nhà thầu 83

Bảng 3.5: Rủi ro liên quan đến công tác thi công xây dựng 84

Bảng 3.6: Các nguyên nhân rủi ro kỹ thuật được nhận dạng cho công trình cầu trên đường ô tô cao tốc giai đoạn thi công 86

Bảng 3.7: Phân tích rủi ro định tính cho cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn thi công 90

Bảng 3.8: Rủi ro giai đoạn thi công 94

Bảng 3.9: Phân bổ rủi ro và chiến lược giảm thiểu rủi ro cho công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong giai đoạn khai thác 97

Bảng 3.10: Rủi ro liên quan hư hỏng cầu bê tông cốt thép 99

Bảng 3.11: Rủi ro liên quan hư hỏng cầu thép 102

Bảng 3.12: Rủi ro liên quan hư hỏng móng, mố trụ 104

Bảng 3.13: Tổng hợp nhân tố rủi ro cơ bản được nhận dạng giai đoạn khai thác 107

Bảng 3.14: Rủi ro kỹ thuật thực tế cầu đường ô tô cao tốc đã khảo sát 109

Bảng 3.15 Đánh giá và chấp nhận rủi ro cầu đường ô tô cao tốc 119

Bảng 3.16: Ứng phó rủi ro cầu đường ô tô cao tốc theo tiêu chí chấp nhận rủi ro 119

Bảng 4.1: Số lượng cầu và đơn vị quản lý 127

Bảng 4.2: Cách tính điểm cho từng mẫu khảo sát Error! Bookmark not defined. Bảng 4.3: Ý nghĩa các siêu tham số trong thuật toán Random Forrest 131

Bảng 4.4: Phương pháp tiền xử lý dữ liệu với các thuộc tính 135

Bảng 4.5: Sai số MSE trong 3 thí nghiệm 138

Bảng 4.6: Một số mẫu dữ liệu cầu trên thực tế 140

Bảng 4.7: Một số kết quả dự báo rủi ro cầu BC - Cao tốc Nội Bài - Lào Cai 141

Bảng 4.8 Một số kết quả dự báo rủi ro cầu A - Cao tốc Hà Nội - Hải Phòng 143

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Sự cố cầu Tacoma 21

Hình 1-2: Sự cố cầu Gềnh năm 2016 do va xô của phương tiện giao thông thủy 22

Hình 1-3: Sự cố cầu Cái Đôi Vàm do sai sót khâu khảo sát địa chất 22

Hình 1.4: Yếu tố thành công quan trọng cho quá trình ứng phó RR 30

Hình 1.5: Quy trình hoạt động của mô hình PRINCE-2 32

Hình 1-6: Nút giao khác mức và trạm thu phí tự động không dừng trên tuyến cao tốc Hà Nội – Hải Phòng 36

Hình 2.1: Một số nguyên nhân rủi ro công trình cầu [9] 44

Hình 2.2: Biểu đồ rủi ro Ishikawa 50

Hình 2.3: Phương pháp AHP 53

Hình 2.4: Đồ thị số mở tam giác và hình thang 67

Hình 2.5: Kiến trúc một nơ-ron nhân tạo nhiều lớp 68

Hình 2.6: Minh hoạ thuật toán Random Forest 72

Hình 3-1: Các nhân tố rủi ro với các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc 78

Hình 3-2: Các giai đoạn phát triển của rủi ro 79

Hình 3-3: Khảo sát rủi ro cầu đường ô tô cao tốc 110

Hình 3-4: Một số sự cố cầu đường ô tô cao tốc 110

Hình 3-5: Mẫu ANN cho kết cấu nhịp cầu đường ô tô cao tốc 114

Hình 3-6: Mẫu ANN cho một trụ bê tông cầu dầm 114

Hình 3.7: Sơ đồ quản lý rủi ro 116

Hình 3.8: Tiêu chí chấp nhận an toàn 118

Hình 4.1: Mô hình đánh giá rủi ro sử dụng Machine Learning 124

Hình 4.2: Một số framework học máy và học sâu phổ biển 125

Hình 4.3: Mô hình mạng nơ ron truyền thẳng tổng quát 134

Hình 4.4 Cầu BC - Cao tốc Nội Bài - Lào Cai 141

Hình 4.5 Cầu A- Cao tốc Hà Nội - Hải Phòng 143

Hình 4.5: Tối ưu bằng Gradient Descent 192

Biểu đồ 4.1 Mức độ đầy đủ dữ liệu của từng thuộc tính trong bộ dữ liệu 128

Biểu đồ 4.2 Tổng quan quá trình làm giàu dữ liệu cầu trên đường ô tô cao tốc 129

Biểu đồ 4.3 Tỉ lệ thời gian công tác của những người tham gia khảo sát 129

Biểu đồ 4.4 Tỉ lệ trình độ học vấn của những người tham gia khảo sát 130

Biểu đồ 4.5 Tỉ lệ trình người tham gia khảo sát đã từng tham gia quản lý rủi ro 130

Biểu đồ 4.6 Mức độ quan trọng của các thuộc tính trong tập dữ liệu 134

Biểu đồ 4.7 Phân chia dữ liệu huấn luyện và kiểm tra 136

Biểu đồ 4.8 MSE training ANN không có trích chọn thuộc tính quan trọng 137

Biểu đồ 4.9 MSE training ANN có trích chọn thuộc tính quan trọng 138

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam đang chuyển mình mạnh mẽ trên con đường công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Trong đó, phát triển hạ tầng giao thông nói chung và giao thông đường

bộ nói riêng, đặc biệt là hệ thống mạng đường ô tô cao tốc là một trong những nhân tố hàng đầu để thúc đẩy phát triển của đất nước Theo Ngân hàng Thế giới (World Bank), Việt Nam là một trong những quốc gia đứng đầu thế giới về cả đầu tư phát triển hạ tầng giao thông vận tải và cơ sở hạ tầng nói chung với vốn đầu tư hàng năm lần lượt là khoảng 5% và 4 - 5% GDP

Nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển của đất nước, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1454/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển mạng lưới đường

bộ thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó đến năm 2030 có khoảng 5.004 km đường ô tô cao tốc, đến năm 2050 mạng lưới đường ô tô cao tốc cơ bản hoàn thiện với 41 tuyến, tổng chiều dài khoảng 9.014 km Với lĩnh vực đường bộ, trong chương trình hành động của Bộ Giao thông vận tải nhiệm kỳ 2021-2026, Bộ sẽ ưu tiên những vùng động lực có sức lan tỏa và phấn đấu hoàn thành đưa vào sử dụng khoảng 1.176 km cao tốc Trong bối cảnh nền kinh tế đất nước có nhiều khó khăn, nguồn vốn cho các dự án đường ô tô cao tốc còn hạn chế, việc nâng cao hiệu quả, chất lượng xây dựng và giảm tổng mức đầu tư của các dự án đường ô tô cao tốc trở thành một vấn đề hết sức quan trọng trong thời gian sắp tới đây

Công trình giao thông nói chung và đặc biệt là đường ô tô cao tốc nói riêng luôn

có các điểm cơ bản như tính chất bất ổn định, tính chi tiết phức tạp, chi phí đầu tư lớn

và thời gian dài, chịu ảnh hưởng điều kiện tự nhiên, đòi hỏi sự hợp tác của nhiều bên liên quan, đòi hỏi công nghệ kỹ thuật cao phức tạp; đồng thời không thể tránh khỏi các tác động và chi phối của môi trường kinh tế - xã hội - luật pháp - văn hóa làm xuất hiện rủi ro Các rủi ro luôn tiềm ẩn trong mọi giai đoạn của dự án, kể từ khi xác định chủ trương đầu tư, chuẩn bị đầu tư, cho đến khi kết thúc đưa dự án vào khai thác và sử dụng Chúng rất đa dạng và biến đổi khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể Ngay trước khi triển khai thi công công trình, các rủi ro cần được đánh giá chi tiết và đầy đủ giúp các bên liên quan có một danh sách các rủi ro sơ bộ có khả năng xảy ra, để

từ đó có nhận thức và chuẩn bị những kế hoạch phòng chống và phản ứng với rủi ro,

hạn chế các tác động của rủi ro mang lại đối với công trình, từ đó cũng hạn chế được

các rủi ro sau này cho các giai đoạn tiếp theo

Một khi sự cố xảy ra mà không có kế hoạch dự phòng sẽ dẫn đến mục tiêu dự án

bị tác động tiêu cực Mức độ ảnh hưởng nhỏ sẽ làm trễ tiến độ, vượt ngân sách, giảm

chất lượng, rối loạn nội bộ tổ chức, xa hơn nữa có thể làm thất bại toàn bộ dự án, ảnh

hưởng đến uy tín tổ chức và quan hệ với các nhà tài trợ tài chính Ví dụ như sự cố sập

cầu xa lộ liên tiểu bảng I-W35 ở Minneapolis ngay giờ cao điểm cướp đi sinh mạng 13

người và khiến 145 người bị thương Sự cố này khiến Mỹ buộc phải kiểm tra hàng

trăm cây cầu khác trên rất nhiều bang Sau đó, nguyên nhân của sự cố được phân tích

và phương pháp tính “hệ số tải trọng do tác động môi trường và sức kháng cho các bản

liên kết” (Holt và cộng sự, 2008) được đề xuất để tránh các sự cố tương tự

Những sự cố xảy ra với đường ô tô cao tốc gây ra rất nhiều thiệt hại về vật chất,

sức khỏe và cả tính mạng người lao động Tùy quy mô công trình đường ô tô cao tốc,

các sự cố nếu xảy ra trong quá trình xây dựng sẽ tác động đến xã hội với mức độ khác

nhau

Trong hệ thống hạ tầng đường ô tô cao tốc, cầu được xem là thành phần dễ có

thể xảy ra sự cố nhất Cầu chịu nhiều rủi ro khác nhau trong suốt vòng đời công trình,

cần nhận dạng, phân tích, đánh giá và dự báo các rủi ro

Đã có nhiều thiệt hại về kinh tế và xã hội xảy ra với cầu trên đường ô tô cao tốc

ở thế giới đặc biệt trong giai đoạn khai thác với yêu cầu an toàn cao, công tác đánh giá,

dự báo cần nghiên cứu để đề phòng sự cố, hỗ trợ tối ưu hóa bảo trì, chính vì vậy

nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài “Nhận dạng, đánh giá và quản lý rủi ro

công trình cầu trên đường cao tốc trong vận hành khai thác”

Quản lý, nhận diện, đánh giá, dự báo rủi ro và các công việc liên quan khác đến

rủi ro là một lĩnh vực còn mới mẻ, nhưng lại mang tính cấp thiết với nhiều ứng dụng

quan trọng trong quá trình xây dựng và khai thác cơ sở hạ tầng Bởi vậy, quá trình

đánh giá, nghiên cứu và ứng dụng các thành tựu và phương pháp mới của thế giới

trong môi trường thực tiễn tại Việt Nam là điều mà đề tài này hướng tới

- Nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong đánh giá và dự báo rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc

- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và học máy (AI/ML/DL) để quản lý rủi ro kỹ thuật nhằm tăng cường năng lực bảo trì cho các công trình cầu trên đường cao tốc

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Rủi ro các công trình cầu trên đường ô tô cao tốc

* Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật nhận dạng, phân tích và đề xuất mô hình đánh giá rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc và trên các trục đường bộ chính yếu trong suốt vòng đời công trình tập trung vào giai đoạn vận hành khai thác Rủi ro trong giai đoạn thi công cũng được xét đến do tính tương quan và là tiền đề, nguồn gốc của một số rủi ro trong giai đoạn vận hành khai thác

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

Nghiên cứu tổng hợp phân tích tài liệu: Tham khảo và nghiên cứu các đề tài, báo cáo nghiên cứu và ứng dụng của nhận dạng, phân tích, đánh giá rủi ro công trình,… Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu trước đây về quản lý rủi ro công trình giao thông, các phương pháp hiện đại trong quản lý rủi ro,…

Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát thực tế các công trình cầu trên đường ô

tô cao tốc tại Việt Nam

Phương pháp khảo sát chuyên gia: Xây dựng phiếu khảo sát, hỏi ý kiến các chuyên gia nhiều kinh nghiệm trong ngành giao thông vận tải

Phương pháp sử dụng trí thông minh nhân tạo: Xây dựng thuật toán và chương

trình sử dụng học máy (machine learning) trong quản lý rủi ro công trình cầu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

- Đề xuất ứng dụng thuật toán và chương trình Machine Learning trong đánh giá và

dự báo rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc ở Việt Nam với ví dụ phân tích cụ thể trong giai đoạn vận hành khai thác

* Ý nghĩa thực tiễn:

- Đề xuất ứng dụng thuật toán và chương trình Machine Learning trong đánh giá

và dự báo rủi ro kỹ thuật trong dự án cụ thể công trình cầu trên đường ô tô cao tốc và trên các tuyến đường chính yếu ở Việt Nam hướng tới sử dụng trí tuệ nhân tạo trong nhận dạng, đánh giá và dự báo rủi ro công trình

- Việc áp dụng các công nghệ mới như hệ thống cảnh báo sớm, mô phỏng và mô phỏng ảo cũng có thể cung cấp các công cụ hữu ích để ứng phó với rủi ro từ đó xây dựng hệ thống quản lý, bảo trì các công trình cầu trên đường cao tốc

- Các nghiên cứu của Luận án được ứng dụng thực tế tại Tổng công ty đường ô

tô cao tốc Việt Nam và các đơn vị khác trong ngành

cao tốc trong giai đoạn thi công và vận hành khai thác

Chương 4: Xây dựng thuật toán Machine Learning và ứng dụng trong đánh giá,

dự báo rủi ro kỹ thuật công trình cầu trên đường ô tô cao tốc trong vận hành khai thác Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN VỀ RỦI RO VÀ QUẢN LÝ RỦI RO CÔNG TRÌNH CẦU TRÊN

ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC 1.1 Tổng quan về rủi ro và quản lý rủi ro

Khái niệm chung về rủi ro

Khái niệm rủi rủi ro lần đầu được đưa ra năm 1901 bởi Allan Herbert Willett, ông miêu tả rủi ro là hiện tượng mang tính không xác định và không mong muốn sẽ xảy ra với hai tính chất đặc trưng: tính khách quan và tính không xác định Hiện nay, chưa có định nghĩa thống nhất nào về rủi ro cho tất cả các lĩnh vực [53] Cho tới nay, quan điểm về rủi ro có thể chia làm nhiều trường phái như dưới đây:

(1) Theo trường phái truyền thống: Rủi ro là điều không lành, không tốt và bất ngờ xảy đến là “những thiệt hại, mất mát, nguy hiểm hoặc các yếu tố liên quan đến nguy hiểm, khó khăn hoặc điều không chắc chắn có thể xảy ra cho con người”

(2) Theo trường phái trung hòa: Rủi ro là bất trắc có thể đo lường được Rủi ro vừa mang tính tích cực vừa mang tính tiêu cực [35]

Trên thế giới, nhiều tiêu chuẩn, viện và chuyên gia cũng đã đưa ra khái niệm

về rủi ro, nổi bật là:

Theo từ điển tiếng Anh Oxford: Rủi ro là “một cơ hội hay khả năng gặp nguy hiểm, mất mát, tổn thương hoặc các hậu quả xấu khác” và rủi ro là “tiệm cận với nguy hiểm” Trong bối cảnh này, rủi ro được biểu thị là những hậu quả tiêu cực Tuy nhiên, nắm bắt được rủi ro cũng có thể dẫn đến một kết quả tích cực Một khả năng thứ ba là rủi ro có liên quan đến sự không chắc chắn về kết quả

Theo Viện Quản lý rủi ro (IRM): Rủi ro là sự kết hợp khả năng xảy ra của một sự kiện và hậu quả của nó Hậu quả ở đây có thể từ tích cực đến tiêu cực Đây là một định nghĩa được áp dụng rộng rãi và thiết thực mà có thể dễ dàng áp dụng

Theo Chuyler (2001): Rủi ro là sự kiện dự phòng, có thể xảy ra hoặc không xảy

ra Rủi ro là một thành phần của mối đe dọa và cơ hội Trong một hệ thống, rủi ro liên quan đến chất lượng, khiến khả năng xảy ra nhiều kết quả khác nhau khi vận hành hệ thống đó [46] Chuyler đã chỉ ra đặc điểm của rủi ro là sự kiện xảy ra trong tương lai

(có thể có hoặc không) ảnh hưởng đến chất lượng của dự án, trong đó kết quả có thể xấu hoặc tốt Đây là khái niệm tiêu biểu thuộc trường phái trung hòa

Theo Hiệp hội phân tích rủi ro (SRA): Rủi ro là một hoạt động trong tương lai, bao gồm các hiện tượng tự nhiên và hậu quả, trong đó hậu quả thường là tiêu cực và không mong muốn [9] Như vậy, có sáu đặc trưng cơ bản theo quan điểm rủi ro của SRA, bao gồm: (i) sự kiện sẽ xảy ra (khả năng sự cố đáng tiếc xảy ra); (ii) khả năng nhận ra những hậu quả không mong muốn, tiêu cực của một sự kiện; (iii) tiếp cận với một đề xuất trong đó có một điều không chắc chắn; (iv) mối quan hệ giữa hoạt động và

sự không chắc chắn; (v) sự xuất hiện của một số kết quả được xác định và sự không chắc chắn liên quan; (vi) độ lệch từ một giá trị tham chiếu Đây là khái niệm thuộc trường phái truyền thống, khi nhấn mạnh rủi ro về khía cạnh tiêu cực của vấn đề Theo Tiêu chuẩn ISO 31000 (2009, 2011): Rủi ro là tác động của sự không chắc chắn lên mục tiêu Tác động này được hiểu là sai lệch so với dự kiến –và có thể là tích cực hoặc tiêu cực Mục tiêu có thể bao gồm tài chính, sức khỏe, an toàn và môi trường Các mục tiêu này có thể áp dụng ở các cấp độ khác nhau như chiến lược, toàn bộ tổ chức, dự án, sản phẩm hay quá trình Rủi ro thường thể hiện kết nối giữa các hệ quả của một sự kiện (gồm cả những thay đổi về hoàn cảnh) và khả năng xảy ra kèm theo

Sự không chắc chắn là tình trạng, đôi khi là một phần thiếu hụt thông tin về một sự kiện, hệ quả hoặc khả năng xảy ra của nó

Như vậy, các quan điểm về rủi ro trở nên khác nhau bời các lĩnh vực khác nhau xác định rủi ro theo cách thức không giống nhau Về cơ bản, rủi ro trong một bối cảnh

và tổ chức cụ thể thường là bất cứ điều gì mà có thể ảnh hưởng đến việc thực hiện các mục tiêu của tổ chức và là tác động của sự không chắc chắn lên mục tiêu

Tại Việt Nam, các chuyên gia cũng đã đưa ra định nghĩa khác nhau về rủi ro trong lĩnh vực xây dựng, điển hình là:

Theo GS.TSKH Nguyễn Văn Chọn (2003): Rủi ro là một loạt các biến cố ngẫu nhiên tác động tiêu cực lên toàn bộ các giai đoạn, làm thay đổi kết quả đầu tư theo chiều hướng bất lợi và có thể đo lường được bằng các khái niệm xác suất rủi ro Rủi ro

là khả năng có sai lệch khó chấp nhận được giữa thực tế và dự kiến từ trước [4]

Theo PGS.TS Bùi Ngọc Toàn (2012): Rủi ro là tổng hợp những yếu tố ngẫu

nhiên, những tình huống không thuận lợi liên quan đến bất định, có thể đo lường bằng xác suất không đạt mục tiêu đã định của dự án và gây nên các mất mát, thiệt hại [2] Như vậy có thể thấy, rủi ro là vấn đề mang tính hai mặt, có thể có những tác động tích cực và tiêu cực đến một dự án xây dựng Tuy nhiên, khía cạnh tác động xấu thường được quan tâm nhiều hơn Rủi ro thường tạo ra các tác động xấu đến dự án Tuy nhiên, dự án cần phải xem xét và tận dụng các tác động tích cực hoặc cơ hội phát sinh từ các rủi ro (không thể tránh khỏi tất cả các rủi ro) để giúp dự án đạt được mục tiêu nhanh hơn và ít tốn kém hơn Đối với các rủi ro có tác động xấu đến dự án, hoạt động phòng ngừa cần được ưu tiên hơn hoạt động khắc phục rủi ro Rủi ro có thể xảy

ra ở bất kỳ dự án xây dựng nào, bao gồm cả các dự án xây dựng cầu [9]

Khái niệm chung về quản lý rủi ro

Quản lý rủi ro là một hoạt động xây dựng quy trình có hệ thống bài bản, mang tính khoa học nhằm tìm ra, phòng ngừa và đề xuất giải pháp nhằm giảm thiểu tối đa những rủi ro có khả năng phát sinh trong quá trình hoạt động sản xuất, kinh doanh, gây

ra những bất lợi, hạn chế cho doanh nghiệp và cho xã hội

Quản lý rủi ro là một quá trình bao gồm nhiều nội dung và công việc Mỗi công việc sẽ bao gồm một nội dung riêng, thực hiện tốt công việc trước trở thành tiền đề để thực hiện tốt các các công việc sau Các công việc tạo nên một chu trình liên tiếp

Về cơ bản quá trình quản lý rủi ro gồm 3 bước: (1) Nhận dạng và phân loại rủi ro

→ (2) Đo lường và đánh giá rủi ro → (3) Xử lý rủi ro

Nhận dạng và phân loại rủi ro

Nhận dạng rủi ro là quá trình xác định liên tục và có hệ thống các rủi ro của một

dự án, công trình Hoạt động nhận diện rủi ro nhằm thu thập các thông tin đầy đủ về nguồn rủi ro, các yếu tố hiểm hoạ và nguy cơ rủi ro để từ đó đưa ra một danh sách các rủi ro mà công trình phải chịu [35] Do đó, hiệu quả hạn chế rủi ro của công trình sẽ phụ thuộc lớn vào danh sách này

Nhận diện rủi ro sẽ xác định loại rủi ro nào ảnh hưởng quá mức cho phép tới kết quả dự định của hành động hay sự việc được xem xét, đồng thời mô tả tính chất của mỗi rủi ro đó để đưa ra danh sách rủi ro của công trình

a) Phân loại theo bản chất nguyên nhân

Rủi ro được phân thành 5 loại như Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1: Phân loại rủi ro theo bản chất nguyên nhân

STT Loại rủi ro Đặc điểm

4 Rủi ro về

thông tin

Tính không đầy đủ, không chính xác của các thông tin và trình

độ của con người đối với việc xử lý các thông tin,…

5 Rủi ro về

chính trị xã hội

Rủi ro về chính trị liên quan đến biến động về chính trị như thay đổi thể chế chính trị, đảo chính và chiến tranh,… có tác động tiêu cực đến công trình Rụi ro về xã hội là các sự cố bất lợi cho công trình liên quan đến mức thu nhập, mức tiêu thụ của người dân, dịch bệnh, đói nghèo, khan hiếm lao động hay

an ninh xã hội không đảm bảo…

b) Phân loại theo mức độ khống chế có rủi ro

Rủi ro được phân thành 2 loại như Bảng 1.2 dưới đây:

Bảng 1.2: Phân loại rủi ro theo mức độ khống chế có rủi ro

STT Loại rủi ro Đặc điểm

1 Rủi ro có thể tính được Là rủi ro mà tần số xuất hiện của nó có thể tiên đoán

được ở một mức độ tin cậy nhất định

2 Rủi ro không thể tính

được

Là rủi ro mà tần suất của nó quá bất thường và rất khó dự đoán được

c) Phân loại theo tính chất chủ quan và khách quan

Rủi ro được phân thành 2 loại như Bảng 1.3 dưới đây:

Bảng 1.3: Phân loại rủi ro theo tính chất chủ quan và khách quan

STT Loại rủi ro Đặc điểm

1 Rủi ro khách quan

thuần tuý (con người

khó lường trước được)

Rủi ro này thường liên quan đến thiên tai, sự cố về công nghệ và máy móc làm thiệt hại về vật chất Để khắc phục rủi ro này người ta thường mua bảo hiểm

2 Rủi ro chủ quan (rủi ro

suy tính)

Rủi ro chịu ảnh hưởng bởi những nguyên nhân khó dự đoán, liên quan đến trình độ của người quyết định Rủi

ro này luôn đứng giữa cơ hội kiếm lời và nguy cơ thua

lỗ Để khắc phục rủi ro này thường phải dùng biện pháp rào cản và dự phòng

d) Phân loại theo nơi phát sinh

Rủi ro được phân thành 2 loại như Bảng 1.2 dưới đây dưới đây như sau:

Bảng 1.4: Phân loại rủi ro theo nơi phát sinh

STT Loại rủi ro Đặc điểm

1 Rủi ro nội bộ (rủi ro nội

e) Nhận xét

Những rủi ro trong khi tiến hành một dự án xây dựng và vận hành khai thác công trình sẽ khó tránh khỏi, có những rủi ro có thể lường trước và có những rủi ro không nhận thấy được Chính vì vậy, quản lý rủi ro rất cần thiết để khống chế được những rủi

ro có tác động tiêu cực tới công trình

Đo lường và đánh giá rủi ro

Có thể phân tích và đánh giá mức độ rủi ro bằng phương pháp phân tích định tính

và định lượng Phân tích định tính là việc mô tả tác động của mỗi loại rủi ro và sắp xếp chúng vào từng nhóm mức độ: rủi ro cao, trung bình, thấp Mục đích của phân tích định tính nhằm chỉ ra bộ phận nào chịu tác động của rủi ro và mức độ ảnh hưởng của rủi ro đến từng bộ phận và toàn bộ công trình Những công trình đơn giản có thể chỉ áp dụng phương pháp định tính để xác định rủi ro Ngoài ra, đối với công trình không thể

áp dụng phân tích định lượng, phân tích định tính để xác định rủi ro là rất cần thiết Phân tích định lượng là việc sử dụng các phương pháp toán, thống kê và tin học

để ước lượng rủi ro về chi phí, thời gian, nguồn lực và mức độ bất định Một số công

cụ thường sử dụng để lượng hóa rủi ro như phân tích mạng, phân tích xác suất, phương pháp đồ thị và phân tích quan hệ

Quản lý rủi ro cho công trình cầu thường liên quan đến việc đánh giá và xác định các yếu tố rủi ro có thể ảnh hưởng đến công trình

Rủi ro (Risk) = Xác suất (Probability) x Ảnh hưởng (Impact):

Công thức cơ bản này biểu thị rằng mức độ rủi ro phụ thuộc vào xác suất xảy ra

sự kiện không mong muốn và ảnh hưởng của sự kiện đó Trong đó:

Xác suất (Probability):

Được tính dựa trên lịch sử, dữ liệu thống kê, và đánh giá chuyên gia

Biểu thị mức độ tổn thất hoặc thiệt hại nếu sự kiện xảy ra Công thức có thể được xác định theo công thức sau:

Chỉ số Rủi ro Tổng hợp (Risk Exposure):

Đây là một chỉ số kết hợp cả xác suất và ảnh hưởng

Risk Exposure=Probability×Impact

Chỉ số Đa biến (Multivariate Index): Được sử dụng khi có nhiều yếu tố rủi ro tương tác với nhau Công thức tổng quát có thể là tổ hợp của nhiều chỉ số đơn biến

Điều chỉnh Rủi ro (Adjusted Risk): Điều chỉnh rủi ro dựa trên các biện pháp kiểm

soát đã được thực hiện Những công thức này thường được điều chỉnh và tùy chỉnh

phù hợp với từng công trình cụ thể Đánh giá rủi ro thường là quá trình phức tạp và đòi hỏi sự đánh giá kỹ lưỡng của các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng và quản lý Các công thức quản lý rủi ro trong xây dựng cầu xuất phát từ lĩnh vực quản lý rủi

ro và quản lý xây dựng nói chung

Quản lý Rủi ro Kỹ thuật (Engineering Risk Management):

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng, có nhiều nguồn thông tin về quản lý rủi ro kỹ thuật, bao gồm các nguyên tắc và phương pháp đánh giá rủi ro kỹ thuật

Công thức và phương pháp quản lý rủi ro thường xuyên được đề cập trong các sách và tài liệu về quản lý dự án, như "A Guide to the Project Management Body of Knowledge (PMBOK Guide)" do Viện Quản lý Dự án (Project Management Institute - PMI) công bố

Các tổ chức và hiệp hội chuyên ngành như Hiệp hội Kỹ sư Cầu Đường Quốc tế (IABSE) và Hiệp hội Kỹ sư Cầu và Công trình Đường sắt Mỹ (ASCE) có cung cấp tiêu chuẩn và hướng dẫn liên quan đến quản lý rủi ro trong xây dựng cầu

Các công thức cụ thể phản ánh sự tiến bộ trong lĩnh vực thống kê, mô phỏng, và ứng dụng công nghệ thông tin để đánh giá và dự báo rủi ro một cách chính xác hơn Đối với mỗi công trình cụ thể, công thức có thể được điều chỉnh và tùy chỉnh để phản ánh đặc điểm và yếu tố đặc biệt của công trình, dự án đó

về rủi ro và những hậu quả nhưng sẵn sàng chấp nhận những rủi ro thiệt hại nếu xuất hiện Chấp nhận rủi ro áp dụng trong trường hợp mức độ thiệt hại thấp và khả năng bị thiệt hại không lớn Ngoài ra, cũng có những rủi ro mà đơn vị phải chấp nhận

Tự bảo hiểm là phương pháp quản lý rủi ro mà đơn vị chấp nhận rủi ro và tự nguyện kết hợp thành một nhóm gồm nhiều đơn vị có rủi ro tương tự khác, đủ để dự đoán chính xác mức độ thiệt hại và chuẩn bị trước nguồn quỹ để bù đắp nếu rủi ro xảy

ra

Ngăn ngừa thiệt hại là hoạt động nhằm làm giảm sự xuất hiện thường xuyên của

Để ngăn ngừa thiệt hại cần xác định nguồn gốc thiệt hại

Giảm bớt thiệt hại là việc chủ đầu tư, đơn vị quản lý dự án sử dụng các biện pháp

đo lường, phân tích, đánh giá lại rủi ro một cách liên tục và xây dựng các kế hoạch để đối phó, giảm mức thiệt hại khi rủi ro xảy ra

Chuyển dịch rủi ro nhằm liên kết với nhiều bên khác để cùng chịu rủi ro

1.2 Quản lý rủi ro đối với các công trình xây dựng cầu

Nguy cơ rủi ro đối với các công trình cầu

Thực tế đã chứng minh ngành xây dựng tiềm ẩn nhiều rủi ro và tăng theo quy mô

và độ phức tạp của công trình Các công trình cầu, đặc biết là cầu trên đường bộ cao tốc luôn có tính chất phức tạp về kỹ thuật, thời gian xây dựng dài, khối lượng công việc cũng như nguồn vốn đầu tư lớn, lại chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác như chính trị, kinh tế, xã hội, con người, tự nhiên, pháp luật, công nghệ, vật liệu Do đó, các rủi ro có thể xảy ra ở bất kỳ quá trình nào trong thời gian thi công cũng như vận hành khai thác

Ngoài ra, công trình cầu cũng là một trong những thành phần quan trọng, dễ xảy

ra sự cố nhất trong các dự án xây dựng công trình giao thông như đường bộ cao tốc [6, 11] Công trình cầu chịu những rủi ro khác nhau trong suốt vòng đời công trình [6, 12], trong đó các rủi ro có nguyên nhân liên quan đến kỹ thuật – công nghệ được đánh giá

là tiềm ẩn nguy cơ lớn, mức độ ảnh hưởng rộng và có độ phổ biến cao Ví dụ như:

- Trong giai đoạn lập kế hoạch dự án xây dựng cầu, rủi ro phát sinh từ những sai sót trong tuân thủ quy hoạch, bất trắc trong việc lựa chọn vị trí cầu, quy mô xây dựng, lựa chọn phương án ban đầu và khổ tịnh không trên và dưới cầu,

- Trong giai đoạn thiết kế, sai sót có thể xảy ra khi điều tra các số liệu đầu vào về địa chất, khí hậu, thủy văn, lưu lượng, tải trọng, các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu, vận dụng lý thuyết, mô hình tính toán và các phân tích liên quan

- Những rủi ro trong giai đoạn xây dựng do các hạn chế của kỹ thuật – công nghệ xây dựng, sai lầm trong giải pháp công nghệ và quản lý an toàn, hư hỏng bất thường thiết bị thi công, dự báo tiến độ thi công không chính xác, thi công các hạng mục có

tiềm ẩn xảy ra sự cố vào thời điểm có xác suất xảy ra bão lũ lớn, tai nạn bất ngờ, thiên tai bất thường và các yếu tố do sai lầm của con người

- Trong giai đoạn khai thác, những rủi ro liên quan đến quy trình quản lý, vận hành, tai nạn bất ngờ, thiên tai, biến đổi vật liệu, tải trọng vượt quá tính toán thiết kế

và tác động của con người Điều này có thể do quản lý kém hiệu quả, vi phạm hành lang an toàn bảo vệ công trình hay các hành động xâm hại công trình, thiếu kiểm tra,

dự báo, đề phòng tác động do thiên nhiên như mưa lũ, xói lở và sụt trượt Ngoài ra, các rủi ro liên quan tới việc các hư hỏng không được phát hiện và ứng phó kịp thời Rủi ro có thể dẫn tới các thảm họa, gây ra thiệt hại lớn như sụp đổ cầu Khi đó chi phí sửa chữa khôi phục và chi phí gián đoạn giao thông là vô cùng lớn [8]

Một số trường hợp rủi ro của các công trình cầu và cầu trên đường ô tô cao

tốc

Trên thế giới cũng đã có các nghiên cứu như tại Đức sử dụng các phương pháp như phân loại, phân tích tương đồng và dự đoán để xác định các đặc trưng của rủi ro như tình trạng kỹ thuật, môi trường xung quanh và tác động của các yếu tố tự nhiên, tại Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc đã có nghiên cứu về ảnh hưởng tải trọng xe dựa trên thống kê xác xuất

Để xác định các rủi ro cụ thể của dự án xây dựng cầu và cầu trên đường ô tô cao tốc, cần phải mô tả các sự cố của cầu thông qua các tình huống nghiên cứu đặc trưng gồm nhiều tác nhân gây ra đặc biệt trong vận hành khai thác:

1 Cầu xa lộ liên tiểu bang I-35W (Mỹ)

Vụ sập cầu xa lộ liên tiểu bang 35W diễn ra ở Minneapolis vào ngày 1/8/2007 với 111 phương tiện bị ảnh hưởng bởi sự cố và nhiều phương tiện đã rơi xuống sông Missouri Sau khi điều tra, người ta cho rằng công trình cầu bị sập do lỗi thiết kế, không phải do thiếu bảo trì như giả định ban đầu (Stachura, 2007) Cụ thể hơn, có người cho rằng lỗi thiết kế là do bản tiết diện dọc theo đường đinh quá mỏng, cùng với việc công trình cầu vượt quá trọng tải tại thời điểm xảy ra tai nạn (Frommer, 2008)

2 Cầu Seongsu (Hàn Quốc)

Trong suốt buổi sáng giờ cao điểm ngày 21/10/1994, phần giữa của Cầu Seongsu

ở Seoul, Hàn Quốc đã rơi xuống sông Hàn làm cùng một vài phương tiện Các cuộc

điều tra cho thấy vụ tai nạn là do việc hàn giàn thép (một phần của hệ thống giàn treo) không đảm bảo Sau đó, cầu này phải được tái thiết kế và xây dựng lại hoàn toàn vì tồn tại sai sót về tổng thể kết cấu có thể dẫn đến những sự cố thậm chí còn nguy hiểm hơn

3 Cầu Hintze Ribeiro (Bồ Đào Nha)

Sự cố của công trình cầu này diễn ra khi có một dòng nước chảy rất xiết xung quanh Hintze Ribeiro ở Bồ Đào Nha do hậu quả của một cơn bão mạnh vào đêm ngày 04/03/2001 Một trong những trụ cầu đã bị sập, khiến phần trung tâm kết cấu nhịp sụp

đổ xuống sông Douro cùng nhiều phương tiện (Martins, 2016) Không một ai bên trong các xe bị rơi xuống sông có cơ hội được cứu Dòng hải lưu cuốn trôi các thi thể hơn 19 dặm về phía Đại Tây Dương Một số xác chết thậm chí được tìm thấy ở bờ biển phía bắc Tây Ban Nha và Pháp Nguyên nhân của thảm họa là do nhiều năm khai thác cát mất kiểm soát cùng với việc thiếu bảo trì làm suy yếu các trụ cầu

4 Cầu Tacoma Narrows (Mỹ)

Ngay khi mới được đưa vào khai thác, ngày 07/11/1940, một cơn gió di chuyển vận tốc bốn mươi dặm một giờ đã khiến công trình cầu rung chuyển một cách không thể kiểm soát được Một giờ sau, kết cấu nhịp chính bị rơi xuống sông sau khi bị vặn xoắn quá lớn

5 Cầu Angers (Pháp)

Cầu này được xây dựng ở Pháp vào năm 1839 và sự cố diễn ra vào tháng 4/1850 Lúc này, gió lớn làm cầu bị dao động mạnh Bên cạnh đó, đoàn lính của hai tiểu đoàn diễu hành theo nhịp vô tình làm tăng mức độ dao động dẫn tới đứt cáp neo ở phía thượng nguồn Tai nạn cầu Angers cùng với các sự cố cầu treo khác khiến Pháp từ bỏ xây dựng cầu treo cho đến năm 1870 Những cầu treo sau này như cầu Brooklyn đã triển khai thêm các sàn gia cố (bởi kỹ sư John A Roebling) trong khi một kỹ sư khác, Louis Vicat, nhấn mạnh tầm quan trọng của neo cáp phù hợp vào năm 1853 Cầu Angers sau đó được thay thế vào năm 1960 sử dụng dầm bê tông cốt thép

6 Cầu Rào cũ (Việt Nam)

Cầu Rào (cũ) bắc qua sông Lạch Tray, trên đường từ Thanh phố Hải Phòng đi Đồ Sơn (Hải Phòng) Trong lịch sử, cầu được xây dựng nhiều lần Tháng 8/1976, cầu Rào được khởi công xây dựng lại ở vị trí hiện nay, có kết cấu kiểu khung T-dầm đeo nhịp

chính dài 63m bằng bê tông cốt thép ứng suất trước, thi công bằng phương pháp lắp hẫng cân bằng Ngày 28/1/1980, cầu được khánh thành với chiều dài 174m, rộng 12m Ngày 16/7/1987, cầu lại bị sập nhịp mố phía Bắc Sau đó, nhịp đã được dỡ bỏ và làm lại bằng kết cấu giàn thép kiên cố trên mố cầu bê tông cũ

7 Nhịp dẫn cầu Cần Thơ (Việt Nam)

Sự cố xảy ra trong quá trình xây dựng vào ngày 26/9/2007 Hai nhịp cầu dẫn bê tông cốt thép dài 45m, rộng 23,6m bắc qua các trụ P13 đến P14 và P14 đến P15 được

đổ bê tông trên đà giáo đã bị sập sau 1 ngày thi công Nguyên nhân được phân tích sau

sự cố cho thấy do lún không đều (lún lệch) bệ móng của trụ tạm trong hệ đà giáo phục

vụ đổ bê tông tại chỗ kết cấu nhịp

Các sự cố của 11 công trình cầu được mô tả phía trên được tổng hợp và chi tiết hóa trong bảng 1.5 dưới đây

Tự các thông kế ở trên và đặc biệt là trong Bảng 1.5, các phân tích và kinh nghiệm có thể được chỉ ra dưới đây khi xem xét từng sự cố (trường hợp nghiên cứu)

Cầu xa lộ liên tiểu bang 35W (Mỹ): Tình huống nghiên cứu này xác định rõ

rằng đối với những cầu có bản tiết điểm nối các dầm trong cấu trúc giàn, bản tiết

điểm cần có kích cỡ phù hợp để chịu được tải trọng quy định của cầu, đặc biệt cần chú

ý đến hiện tượng tăng tải trọng qua các năm Có thể thực hiện việc này bằng cách tính

“hệ số giữa tải trọng do tác động môi trường và khả năng chịu tải cho các bản tiết

điểm” (Holt và các cộng sự, 2008)

Bảng 1.5: Bảng tổng hợp sự cố nghiên cứu

STT Tên cầu và

vị trí

Năm xây dựng

Loại cầu Thông tin khác

Năm xảy ra

sự cố

Thiệt hại về người

Cầu nằm trên đường ô

tô cao tốc 8 làn xe Đây

là tuyến đường ô tô cao tốc náo nhiệt thứ 3

ở Minnesota (Sở giao thông vận tải Minnesota, 2007)

2007 13 người

chết và 145 người bị thương

Vận hành & bảo trì bình thường

Lỗi thiết kế – bản tiết diện mỏng dọc theo một

thương

Vận hành & bảo

trì bình thường

- Hàn hệ thống treo của

kết cấu bê tông cốt thép

không đạt yêu cầu

- Kết cấu yếu

3 Cầu Silver

(Mỹ)

1928 Cầu treo chuỗi

thanh có tai treo bằng thép

Chiều dài: 681m

Cầu thanh có tai treo đầu tiên ở Hoa Kỳ

1967

46 người chết

9 người bị

thương

Bảo trì kém, mặc

dù công nghệ thời đó sẽ không thể phát hiện ra vết nứt (LeRose,

Thanh có tai treo bị rỉ

Chiều sâu rỉ 0,1 inch (2,5 mm)

Chịu tải trọng lớn hơn thiết kế

STT Tên cầu và

vị trí

Năm xây dựng

Loại cầu Thông tin khác

Năm xảy ra

sự cố

Thiệt hại về người

2001 59 người

chết

Khai thác cát bất hợp pháp và bảo trì trụ cầu kém, không chú ý đến cảnh báo của các thợ lặn và kỹ

thuật viên

Khai thác cát dài hạn,

ảnh hưởng đến sự ổn định của trụ cầu

có chiều dài 987m

Dự án thất bại hai lần

và mất gần 20 năm để hoàn thành

1907 và

1916

75 người chết và 11 người bị thương vào năm 1907

11 người chết vào nằm

1916

Đang khai thác 1907: Lỗi thiết kế; công

trình cầu không thể tự chịu tải trọng của bản thân cầu;

“khớp nối các biên tạm thời bằng cách dùng bu lông”; ứng suất cao làm cho mặt cắt giòn yếu; các thanh giữ yếu, không thể

“chống lại oằn ngoài mặt

STT Tên cầu và

vị trí

Năm xây dựng

Loại cầu Thông tin khác

Năm xảy ra

sự cố

Thiệt hại về người

6 Cầu Tacoma

Narrows

(Mỹ)

1940 Cầu treo dây võng Công trình cầu treo dài

thứ 3 thế giới tại thời điểm đó

1940 Không ai

chết hoặc bị thương

Đang khai thác Thiết kế khí động lực

2018 43 người

chết

Được cho là trong điều kiện

Nứt do mỏi của ba thanh

treo thép trên cầu phía Tây

STT Tên cầu và

vị trí

Năm xây dựng

Loại cầu Thông tin khác

Năm xảy ra

sự cố

Thiệt hại về người

- 2007, Có thiệt hại

về người và thiết bị, công trình

- Lún lệch bệ móng trụ tạm

trong hệ đà giáo phục vụ

đổ bê tông tại chỗ

Cầu Silver: Đây là một trường hợp đặc biệt bởi sau này người ta đã nhận ra kiểu vết nứt xuất hiện ở cầu chắc chắn đã không được phát hiện với quy trình kỹ thuật tại

thời điểm đó (LeRose, 2001: trực tuyến), trái với các phương pháp kiểm tra không

phá hủy hiện đại được áp dụng ngày nay (Steelhammer, 2018) Từ sự cố của cầu này

đã làm gia tăng các quy định đối với những công trình cầu cũ

Cầu Hintze Ribeiro: Đây là một trường hợp chứng minh về tầm quan trọng của

bảo trì hợp lý cầu cũ, ngăn chặn những hành vi bất hợp pháp quanh công trình

Cầu Tacoma Narrows: Sau vụ sập cầu này, hầu hết các công trình cầu lớn đều

được thí nghiệm hầm gió để kiểm tra thiết kế khí động lực Giàn tăng cường được

chỉ ra là giải pháp thiết kế phù hợp hơn bởi chúng giảm thiếu được tác động của gió

(Akesson, 2008: 111) Hơn nữa, thiết kế với mặt cầu tải trọng lớn giúp các cáp chính

phải chịu sức căng lớn hơn đã giúp cầu vững chắc hơn (Akesson, 2008)

Hình 1-1: Sự cố cầu Tacoma Narrows

Cầu tưởng niệm Trung sĩ Aubrey Cosens VC: Trường hợp này khiến chính

quyền Ontario phải cải tạo thiết kế và giám sát cầu Khi công trình cầu được tái xây dựng, dây cáp đã thay thế mọi thanh treo nhằm đảm bảo an toàn cho cầu khi một

dây cáp hư hỏng (Akesson, 2008: 243-245)

Cầu Rào (cũ): Phân tích cho thấy cầu được xây dựng ở khu vực ven biển (Hải Phòng) nhưng cốt thép dự ứng lực lại bố trí trong các rãnh “hở” ở phía trên bản nắp hộp sau đó đổ bê tông lấp kín Lớp bê tông đổ sau trên mặt cầu đã không đủ độ chống thấm nên nước mặt và chất ăn mòn đã xâm nhập gây rỉ, đứt cốt thép chủ dự ứng lực

sau 7 năm khai thác Bài học kính nghiệm đã rút ra là thay đổi phương án bố trí cốt

thép dự ứng lực, luồn cốt thép dự ứng lực trong các ống chứa cốt thép kín (ống gene) và thay công nghệ lắp hẫng bằng công nghệ đúc hẫng

Hình 1-2: Sự cố cầu Gềnh năm 2016 do va xô của phương tiện giao thông thủy

Nhịp dẫn cầu Cần Thơ: Sự cố này chỉ ra rằng, cần khảo sát kỹ lưỡng và tăng

thêm hệ số an toàn cho kết cấu móng của hệ đà giáo và tính toán kỹ hơn khả năng

rủi ro có thể xảy ra với hệ đà giáo trên các khu vực nền đất yếu hoặc sử dụng các giải

pháp công nghệ khác không chịu ảnh hưởng của nền đất yếu phía dưới như công

nghệ đẩy, công nghệ MSS hoặc SBS…

Một số sự cố khác có thể kể đến như cầu Cái Đôi Vàm bị sụp đổ kết cấu do sai sót về khảo sát địa chất

Hình 1-3: Sự cố cầu Cái Đôi Vàm do sai sót khâu khảo sát địa chất

Bảng 1.6 tổng hợp các dạng cầu và các rủi ro đã xảy ra trên thế giới [53] Tuy nhiên, Bảng 1.6 có thể dài hơn khi xét đến tất cả các mặt lý thuyết mà một công trình cầu có thể gặp phải và bị hư hỏng một phần hoặc toàn bộ

Bảng 1.6: Tổng hợp một số rủi ro kỹ thuật công trình cầu

Các loại cầu Rủi ro liên quan từng xảy ra trong lịch sử

Cầu vòm giàn thép - Lỗi thiết kế - bản tiết diện mỏng

- Va chạm với phương tiện giao thông

- Khuyết tật của kết cấu

- Lỗi thiết kế - hư hỏng do quá tải trọng Cầu treo dây xích có thanh treo bằng

thép

- Thanh treo bị gỉ

- Quá tải trọng

- Thiên tai, bão lũ…

Cầu vật liệu xây và cầu thép Khai thác cát dài hạn ảnh hưởng độ bền trụ cầu Cầu trụ cao; cầu dây văng có trụ, tháp và

mặt cầu bằng bê tông dự ứng lực

- Dây cáp văng bị ăn mòn

- Va chạm gây đứt cáp

- Quá tải trọng Cầu bê tông, bê tông cốt thép và thép - Lão hóa và bảo trì kém

- Sập cầu do va chạm của phương tiện giao thông

- Đứt gãy do mỏi trên thanh treo thép

- Lỗi thi công

- Đổ bê tông sai quy trình

- Quá tải trọng

- Lỗi thi công khác

- Đất yếu

- Đổ bê tông sai quy trình

Các loại cầu Rủi ro liên quan từng xảy ra trong lịch sử

- Quá tải

- Va chạm do phương tiện giao thông

- Hư hỏng nền móng (nghiêng lệch, xói lở…) Cầu đường sắt trụ cao bằng thép Sập do gió mạnh

Dầm và dầm ngang bằng thép trên cầu

nhịp liên tục

- Hỏa hoạn khiến công trình nóng chảy

- Lỗi thi công

- Lở đất

- Va chạm do phương tiện giao thông

- Đứt bu lông (lỗi thi công)

Cầu đường bộ hoặc cầu đường sắt có trụ

cầu cao

- Sập cầu do lở đất

- Thay thế thanh cốt thép bị lỗi

- Bê tông chất lượng kém

- Va chạm do phương tiện giao thông

- Hư hỏng thanh treo

- Quản lý thiếu chuyên môn

- Đổ bê tông sai quy trình

- Lỗi do con người trong quá trình thi công

- Sập toàn bộ ở những giai đoạn đầu trong quá trình phá hủy theo kế hoạch

Các loại cầu Rủi ro liên quan từng xảy ra trong lịch sử

- Dịch chuyển trụ chống

- Lỗi thiết kế và xây dựng

Cầu ba nhịp bằng thép - bê tông liên hợp Đổ bê tông mặt cầu sai

Bê tông dự ứng lực và đúc sẵn Bảo trì kém

Cầu trên đường ô tô cao tốc Quá tải trọng

Phân tích rủi ro kỹ thuật đối với công trình cầu

Rủi ro kỹ thuật có thể xảy ra trong các giai đoạn khác nhau của công trình cầu từ chuẩn bị dự án đến giai đoạn thi công và vận hành khai thác

a) Rủi ro kỹ thuật trong giai đoạn chuẩn bị dự án

Giai đoạn này thường được tiến hành bởi Chủ đầu tư và các Nhà thầu Tư vấn trong hai bước là Thiết kế sơ bộ và Thiết kế cơ sở Thiết kế sơ bộ là thiết kế được lập trong báo cáo nghiên cứu tiền khả thi (có thể có hoặc không tùy theo trường hợp cụ thể) Thiết kế cơ sở là thiết kế được lập trong báo cáo nghiên cứu khả thi để đánh giá tổng quan sơ bộ về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, tác động đến chuyển dịch cơ cấu kinh

tế, giao thương kinh tế giữa các vùng, giữa các quốc gia; ảnh hưởng đến xã hội, các vấn đề GPMB và tái định cư; tác động đến môi trường và tổng mức đầu tư của dự án cũng như đưa ra kiến nghị cần thiết cho các bước tiếp theo (nếu dự án là khả thi)

Về tính pháp lý, tại Nghị định của Chính phủ số 59/2015/NĐ-CP, ngày 18/6/2015 đã quy định rõ nội dung thẩm định dự án đầu tư XDCT của người quyết định đầu tư trước khi phê duyệt dự án là:

- Đánh giá về sự cần thiết ĐTXD;

- Đánh giá yếu tố bảo đảm tính khả thi của dự án;

- Đánh giá yếu tố bảo đảm tính hiệu quả của dự án

Theo các quy định pháp lý hiện hành của Nhà nước, việc xem xét và khẳng định

sự cần thiết đầu tư, tính khả thi, hiệu quả của dự án đầu tư XDCT phải được làm rõ về nhiều mặt vòng đời của dự án trước khi ra quyết định đầu tư thực hiện dự án Khi xem xét tới dự án trong tương lai và trong điều kiện các tác động không ổn định như thời gian, tài chính, hiệu quả kinh tế…, việc phân tích rủi ro khi lập và thẩm định dự án là hết sức cần thiết Những rủi ro phổ biến trên thực tế gồm:

(1) Trong giai đoạn chuẩn bị dự án, các rủi ro do sai lầm về chủ trương đầu tư, sai sót trong kế hoạch đầu tư sẽ gây mất hiệu quả đầu tư, gây hậu quả nghiêm trọng như lãng phí, thất thoát bao gồm cả lãng phí trực tiếp và lãng phí gián tiếp

(2) Các rủi ro do đầu tư không có quy hoạch, không đúng theo quy hoạch, chất lượng quy hoạch chưa cao, quy hoạch không phù hợp với đặc điểm kinh tế xã hội của vùng dấn tới không đạt được các mục tiêu của dự án Nguyên nhân gây ra các rủi ro này bao gồm quy hoạch chưa đi trước một bước, tầm nhìn ngắn, thiếu tính chiến lược, thiếu sự liên kết chặt chẽ giữa các quy hoạch, chưa đánh giá hết các yếu tố khách quan nên định hướng của quy hoạch còn yếu, nhiều quy hoạch mang tính chủ quan Quyết định đầu tư chưa phù hợp với quy hoạch, chưa nghiên cứu kỹ thị trường, thiếu thông tin, công tác dự báo chưa tốt, không tính toán đúng quy luật cung - cầu cũng là những nguyên nhân gây rủi ro tác động đến hiệu quả dự án

(3) Các rủi ro do chọn sai địa điểm đầu tư, không phù hợp với điều kiện địa lý, kinh tế xã hội có tác động trực tiếp đến hiệu quả dự án, tác động đến mục tiêu dự án, làm cho khi triển khai thực hiện dự án phải sửa đổi, điều chỉnh, gây hậu quả là tình trạng lãng phí, thất thoát lớn vốn đầu tư, tốn kém chi phí GPMB, XDCT

(4) Rủi ro do thay đổi chủ trương đầu tư, xác định quy mô dự án, lựa chọn thiết

bị, công nghê xây dựng, phương án thi công, giải pháp quản lý chất lượng, tiến độ , an toàn thi công không chính xác cũng dẫn đến không phù hợp với đặc điểm, điều kiên

tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực, giảm hiệu quả đầu tư

(5) Các rủi ro trong công tác thẩm định dự án còn tồn tại hạn chế, thể hiện ở việc

phân tích, đánh giá các mặt kỹ thuật, công nghệ, kinh tế tài chính trước khi ra quyết định đầu tư thực hiện chưa đầy đủ

(6) Ngoài ra công tác lập và phê duyệt dự án cũng còn nhiều bất cập như dự án chưa có đủ điều kiện quy định đã được ghi kế hoạch cấp vốn, mang lại hậu quả nghiêm trọng đến hiệu quả dự án Mặt khác, các rủi ro khác liên quan đến công tác thẩm định và ra quyết định đầu tư như rủi ro do kéo dài thời gian thẩm định, do ý chí, chủ trương của cấp có thẩm quyền tác động mạnh đến hiệu quả dự án Hệ thống văn bản còn bất cập, thiếu đồng bộ, thông tin yếu kém là nguyên nhân gây các rủi ro này

b) Rủi ro kỹ thuật trong giai đoạn khảo sát xây dựng

Khảo sát là công việc rất quan trọng nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho giai đoạn thiết kế và có ảnh hưởng đến cả những biện pháp thi công nên nếu có bất kỳ sai sót nào ở giai đoạn này sẽ dẫn tới khó tránh được sai sót khác trong thiết kế và thi công Yêu cầu chung là công tác điều tra, khảo sát, thu thập số liệu đầu vào phải tuân thủ các Quy chuẩn, Tiêu chuẩn kỹ thuật và các quy định pháp lý liên quan, đầy đủ số liệu cần thiết như các số liệu về kinh tế, xã hội, địa hình, địa chất, thủy văn, khí hậu, nguồn cung ứng và chất lượng vật liệu

Các nguyên nhân gây ra rủi ro dẫn đến sự cố công trình liên quan đến các sai sót trong giai đoạn điều tra và khảo sát, thu thập số liệu đầu vào chủ yếu là những sai lầm, bất cẩn, thiếu năng lực (thiết bị, kinh nghiệm, tính chuyên nghiệp ) trong công tác điều tra và khảo sát hoặc thực hiện không đầy đủ khối lượng công việc theo đề cương khảo sát dự kiến để giảm chi phí nhằm mục đích tăng lợi nhuận bất chính cho đơn vị hoặc cá nhân thực hiện Những trường hợp phổ biến trên thực tế gồm:

(1) Không chính xác về nhu cầu lưu lượng, tải trọng giao thông hiện tại và dự báo sai lầm về phát triển trong tương lai;

(2) Dự báo hay xác định sai các thông số về thuỷ văn, khí hậu, các điều kiện bất thường của tự nhiên như lũ lụt, bão, động đất, khả năng sụt trượt đất;

(3) Không phát hiện hay không xác định được chính xác tính chất cơ lý, chiều sâu phân bố, tính không đồng nhất, các đặc điểm riêng biệt, chiều dày, đặc điểm phân

bố và các thông số kỹ thuật cũng như các hang Caster, các lớp bùn yếu và các vật thể

lạ trong nền đất;