Đường sắt cao tốc là một kiểu vận tải hành khách hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ đường sắt thông thường. Đường sắt cao tốc được coi là hình mẫu của giao thông hiện đại. 

Lịch sử hình thành và phát triển đường sắt cao tốc

Trước khi có đường cao tốc, Nhật Bản chỉ có mạng lưới đường sắt khổ hẹp 1067 mm. Do nhu cầu thông thương hàng hóa và hành khách trong tương lai ngày càng tăng, năm 1939, các chuyên gia đã đề ra một dự án làm đường sắt mới với tên gọi là “Dangan Ressha”. Dự án bị đình trệ vì lý do chiến tranh, năm 1959 để Olympic diễn ra suôn sẻ, và cũng là cơ hội thúc đẩy phát triển ngành du lịch, Chính phủ Nhật Bản đã cho xây dựng hệ thống đường sắt mới khổ đường 1435 mm, chiều dài khoảng 515 km, nối liền Tokyo và Osaka để chạy tàu cao tốc.  Đây là tuyến đường sắt cao tốc đầu tiên trên thế giới với vận tốc khai thác năm 1964 là 210 km/h. Tiếp sau Nhật, năm 1981, Pháp đã  tiến hành chạy tàu cao tốc TGV trên tuyến đường Paris - Sud Est và Paris - Lyon. Năm 1991, Đức phát triển hệ thống ICE và bắt đầu khai thác trên các đoạn Hanover-Würzburg và Mannheim-Stuttgart. Italia và Tây Ban Nha tiếp bước  phát triển mạng ĐSCT. Ở Châu Á, Hàn Quốc bắt đầu khai thác ĐSCT vào năm 2004, Đài Loan năm 2007 và Trung Quốc năm 2008.

Tính đến nay, trên thế giới có 16 quốc gia đã phát triển và khai thác đường sắt cao tốc (không kế tàu đệm từ trường). Trong số đó, 9 quốc gia có thể khai thác tàu cao tốc với vận tốc trên 300 km/h và 7 quốc gia khai thác chạy tàu với vận tốc lớn hơn 200 km/h.

Tàu Shinkansen của Nhật Bản

Trong các tuyến đường sắt chạy tàu cao tốc trên thế giới, thì tuyến Tokaido shinkansen có mật độ khai thác lớn nhất, số đoàn tàu chạy trong một ngày trên tuyến này vào khoảng 350 đoàn, số lượng người đi tầu một ngày khoảng 430000 người, (số ghế trên một đoàn tàu này là 1323 chiếc), những ngày cao điểm như ngày lễ, tết có khoảng 430 đoàn tàu hoạt động. Càng ngày số người Nhật Bản sử dụng phương tiện đường sắt càng nhiều, từ tầu cao tốc shinkansen đến tầu khách thông thường, có thể nói rằng mạng lưới đường sắt là không thể thiếu đối với người dân nơi đây, tại các đô thị lớn khó có thể thấy tình trạng tắc đường trong những ngày làm việc cho dù hầu hết các gia đình người Nhật đều sở hữu xe hơi.

Để người dân chấp nhận và thường xuyên sử dụng phương tiện đường sắt, thì việc quy hoạch xây dựng, cũng như tổ chức chạy tàu cần tuân thủ những nguyên tắc như: Đảm bảo sự an toàn của hành khách, chạy tàu đúng giờ, giảm thời gian đi lại bằng chạy tàu tốc độ cao, đoàn tàu có tần xuất hoạt động cao và năng lực chuyên chở lớn. Bên cạnh đó, các công ty sở hữu đường sắt đã nâng cao vai trò của nhà ga, đưa khu vực nhà ga thành khu vực trung tâm bằng cách hợp tác với các nhà đầu tư khác để xây dựng các tòa nhà đa chức năng làm văn phòng, trung tâm thương mại, trung tâm tài chính, khách sạn, thiết lập các chương trình khuyến mại về du lịch, bán hàng hóa mang tính đặc trưng tại ga... từ đó thu hút hành khách đi lại bằng đường sắt. Một điểm cũng đặc biệt lưu ý là, tuyệt đối không biến các tòa nhà cao tầng thành các tòa nhà chung cư tại khu vực quần thể xung quanh các nhà ga.

Những kỹ thuật quan trọng của đường sắt cao tốc 

Công nghệ "Động lực tập trung":

Đặc điểm của hệ thống này là nguồn động lực được đặt trên đầu máy để kéo đẩy đoàn tàu (nguồn động lực chỉ có ở đầu và cuối đoàn tàu). Đại diện cho công nghệ này là đoàn tàu TGV của Pháp, tàu ICE của Đức, tàu KTX của Hàn Quốc, một số tàu khác của châu Âu cùng nối mạng với Pháp, Đức. Các nước này đã tận dụng và nâng cấp một số đoạn đường sắt khổ 1435 mm hiện có, đồng thời xây dựng mới tuyến đường khác và tạo thành mạng lưới đường sắt cao tốc; chính vì vậy đoàn tàu loại này cần có đầu máy nặng (tải trọng trục lớn) thì mới đủ lực ma sát để có thể kéo được các toa xe.

Công nghệ "Động lực phân tán":

Đặc điểm của hệ thống này là hầu hết các giá chuyển của toa xe đều được gắn động cơ, chính vì vậy đoàn tàu không cần đầu máy kéo mà chỉ có buồng lái ở xe đầu đoàn tàu, độ dốc hạn chế của tuyến đường chạy tàu này được cho phép rất cao. Đại diện cho công nghệ này là đoàn tàu Shinkansen của Nhật Bản, tàu THSR của  Đài Loan, tàu CRH của Trung Quốc. Trung Quốc đã tiến hành xây dựng các tuyến đường mới, đã dùng  một số mẫu tàu từ một số nước, trong đó có mẫu tàu CRH2 trên nền tảng tàu E2 của Công ty đường sắt đông Nhật Bản, để chạy thí điểm trên tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân dài 117 km, bên cạnh đó họ tự chế tạo các mô hình tàu CRH3, CRH380. Tại Đài Loan: Công ty chủ quản về đường sắt cao tốc đã hủy hợp đồng xây dựng với Pháp, để chuyển sang dùng công nghệ động lực phân tán kiểu Shinkansen của Nhật Bản, sử dụng mẫu đoàn tàu N700 của công ty đường sắt trung Nhật Bản cho tuyến Đài Bắc - Cao Hùng, với chiều dài tuyến đường là 345 km. Hiện nay, các nước Pháp, Đức, Hàn Quốc cũng đang nghiên cứu và chuyển dần sang dùng động lực phân tán.

Đặc điểm chung giữa hai loại hình công nghệ:

- Tuyến đường: Tất cả các tuyến đều là đường đôi, khổ đường 1435 mm, khoảng cách tim đường từ 4,2 m đến 5,0 m.

- Bán kính đường cong nằm có trị số từ 4000 m đến 7000 m, được tính toán trên cở sở lựa chọn tốc độ thiết kế lớn nhất cho tương lai. Bán kính đường cong đứng của các tuyến được lựa chọn trong khoảng từ 20000 m đến 25000 m.

- Kiến trúc tầng trên: Đối với các tuyến được xây dựng trước đây (Tokaido shinkansen, Pari - Lion) kiến trúc tầng trên đã dùng là: Ray loại 60 kg/m, đặt trên tà vẹt bê tông cốt thép và nền đá ballat, kết cấu loại này có giá thành rẻ, song chi phí duy tu bảo dưỡng rất cao. Đối với các tuyến được xây dựng mới sau này (Tohoku shinkansen, Đài Bắc - Cao Hùng, Bắc Kinh -  Thượng Hải, Vũ Hán - Quảng Châu...) đều sử dụng kiến trúc tầng trên là: Ray loại 60 kg/m đặt trên bản bê tông lắp ghép (Slab track) hoặc ray loại 60 kg/m đặt trên tà vẹt có đổ bê tông bao phủ tại chỗ (Rheda track).

- Bộ phận ghi đường sắt: Các bộ ghi đường sắt thông thường có trị số hướng rẽ từ Tg α =1/9 đến 1/15 trong khi các bộ ghi đường sắt cao tốc có trị số từ Tg α =1/18 trở lên, tâm ghi này là loại tâm di động nhằm tránh khe hở ray (đây là sự khác biệt rất lớn).

- Hệ thống điện: Điện áp sử dụng trên các tuyến đều là 25 KV, dòng điện xoay chiều AC, hình thức lấy điện trên cao bằng cần pantograph.

- Hệ thống thông tin tín hiệu và điều hành đoàn tàu: hệ thống nhận diện đoàn tàu trước đây được dùng là tín hiệu mạch ray, hiện nay hệ thống nhận diện đoàn tàu được dùng là sensor hoặc thiết bị vô tuyến, tín hiệu được truyền nhận trực tiếp từ các đoàn tàu đến trung tâm điều hành vận tải. Hệ thống máy tính tại trung tâm sẽ tự dộng xử lý và điều hành đoàn tàu (automatic train control: ATC, D-ATC, DS-ATC), trong quá trình vận hành hệ thống sẽ đưa ra các tình huống xử lý và tự động dừng tàu.

- Tốc độ vận hành đoàn tàu thương mại: Việc lựa chọn tốc độ chạy tàu thương mại sẽ tùy thuộc vào hiện trạng từng tuyến đường, hiện nay tốc độ khai thác cao nhất thường trong khoảng từ 250 km/h đến 320 km/h.

Đặc điểm khác biệt:

Công nghệ "Động lực tập trung":

- Ưu điểm: bố trí mạng điện và giá chuyển tại các toa xe đơn giản, dễ sửa chữa toa xe, chỉ phải bảo dưỡng động cơ trên đầu máy.

- Nhược điểm: phải chế tạo đầu máy nặng, phải chi phí cao để xây dựng cầu đường chịu được tải trọng:  đầu máy (17 T/trục đầu máy) + tải trọng đoàn toa xe (14T/trục toa xe), số lượng khách trên tàu ít. Ví dụ cụ thể: đoàn tàu TGV của Pháp  dài 235,59 m có 485 ghế, nếu ghép đôi hai đoàn tàu thì số ghế là 970 chiếc/chiều dài 471,48m.

Công nghệ "Động lực phân tán":

- Ưu điểm: chỉ có đoàn toa xe (14T/trục toa xe) nên tải trọng nhỏ hơn, không phải bỏ chi phí để chế tạo đầu máy, kinh phí xây dựng cầu đường thấp hơn, lượng khách chuyên chở nhiều hơn, dễ dàng lắp ghép theo các modul tùy theo nhu cầu chuyên chở. Ví dụ cụ thể: Đoàn tàu shinkansen E2 có 8 toa, dài 195 m, có 630 ghế; đoàn tàu shinkansen N700A có 16 toa dài 404,7 m, có 1323 ghế.

- Nhược điểm: Đoàn tàu có nhiều giá chuyển hướng lắp động cơ nên chi phí bảo dưỡng cao, phải có hệ thống điều khiển đồng bộ các động cơ.

Trên cơ sở các thông tin về đường sắt cao tốc như trên, ta thấy công nghệ "Động lực phân tán" có nhiều ưu điểm hơn, nhất là với các tuyến được xây dựng hoàn toàn mới. Công nghệ này đã được đường sắt Nhật Bản phát triển với kinh nghiệm lâu năm, hiện nay đang được nhiều quốc gia hướng tới sử dụng.

Liên hệ với đường sắt Việt Nam

Sự ùn tắc giao thông tại các thành phố lớn của Việt Nam đang là vấn đề trầm trọng, vì không có nhiều phương tiện giao thông công cộng nên mọi người đều phải dùng phương tiện cá nhân. Để làm rõ vai trò của đường sắt trong phục vụ nhu cầu đi lại của người dân, phục vụ chuyên chở hàng hóa, là cả một sự kết hợp của nhiều bộ, nhiều ngành nghề, cùng chính sách quy hoạch sử dụng đất, đầu tư xây dựng. Việc quy hoạch, xây dựng phát triển mạng lưới đường sắt trong đó có đường sắt cao tốc là phải làm trước tiên, nó là cơ sở để quy hoạch xây dựng các mạng lưới giao thông khác cũng như các trung tâm kinh tế, văn hóa.. .tại các địa phương.

Theo quyết định số 1468/QĐ-TTg ngày 24 tháng 8 năm 2015, Thủ tướng Chính phủ đã khẳng định chủ trương đầu tư tuyến đường sắt mới khổ 1435mm có định hướng chạy tàu cao tốc 350 km/h từ Hà Nội đến TP Hồ Chí Minh. Theo thông tin từ báo chí, Lãnh đạo Bộ Giao thông vận tải có đề cập đến xây dựng thí điểm đoạn tuyến đường sắt mới từ TP. Hồ Chí Minh đi Long Thành - Đồng Nai (nằm trong quy hoạch tổng thể tuyến đường sắt cao tốc Hà Nội - TP Hồ Chí Minh) để vận hành khai thác thử nghiệm, chuyển giao công nghệ, tổ chức đào tạo con người...là chủ trương hoàn toàn đúng đắn và rất cần thiết. Đoạn tuyến này có tác dụng liên kết và phục vụ nhu cầu đi lại trước mắt giữa khu vực trung tâm thành phố Hồ chí Minh với khu vực gần sân bay quốc tế Long Thành. Trong tương lai lâu dài, tùy theo nhu cầu thực tế vận chuyển mà có thể xét đến kéo dài tuyến đường sắt đến Nha Trang cũng như nối liền đến Đà Nẵng, Hà Nội.

Để tổ chức vận hành đoàn tàu cao tốc, đảm bảo an toàn tuyệt đối, phòng ngừa các tai nạn rủi ro là một việc làm rất khó khăn phức tạp, đòi hỏi nhiều yếu tố...; tuy nhiên, điều này không thể không nói tới vì nó liên quan trực tiếp tới tính mạng con người. Để đảm bảo an toàn chạy tàu, thì việc xây dựng tuyến đường riêng biệt, thiết lập các cấp cảnh báo phòng ngừa, tuân thủ chặt chẽ quy tắc vận hành là đặc biệt quan trọng. Những bài học về các tai nạn chạy tàu luôn luôn là bài học đắt giá và không bao giờ cũ; cho đến nay, chỉ có đoàn tàu Shinkansen Nhật Bản và đoàn tàu THSR Đài Loan là chưa hề bị tai nạn chủ quan hoặc sự cố gây chết người.

Nguồn: Lavie du rail, JREast, JRCenter, Wikipedia high speed rail accident.

Tàu ICE Đức bị tai nạn năm 1998 tại Eschede làm chết 101 người, tàu CRH2A Trung Quốc va vào tàu khác năm 2011 tại Wen Zhou làm chết 40 người, tàu TGV Pháp bị trật bánh đổ tàu thử nghiệm tại Eckwersheim năm 2015 làm 11 người chết. Tàu KTX Hàn Quốc có các vụ va chạm với nhau năm 2007 tại Busan và va chạm với tàu khác năm 2013 tại Daegu làm 2 người bị thương.