Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế tuyến đường mới qua 2 điểm P - N" được thực hiện bởi sinh viên Hoàng Công Phồn (ngành Kỹ thuật Công trình Giao thông, chuyên ngành Xây dựng Đường bộ, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Phương Nam vào tháng 08 năm 2018.
Về bối cảnh thực tiễn, vận tải đường bộ đóng vai trò huyết mạch trong nền kinh tế quốc dân nhằm lưu thông hàng hóa và phục vụ nhu cầu đi lại của nhân dân. Mạng lưới hạ tầng giao thông tại khu vực nghiên cứu nhìn chung còn hạn chế, chủ yếu tận dụng các tuyến đường cũ đã xuống cấp, không đáp ứng được lưu lượng vận chuyển ngày càng gia tăng. Người dân địa phương trước đây khi muốn tiếp cận hệ thống quốc lộ, tỉnh lộ trải nhựa phải đi đường vòng xa xôi và hiểm trở, cản trở trực tiếp đến hoạt động giao thương và phát triển kinh tế - xã hội.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Đánh giá điều kiện tự nhiên, dân sinh, kinh tế - xã hội và dự báo nhu cầu vận tải của khu vực dự án thuộc tỉnh Bắc Giang.
- Xác định cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường dựa trên lưu lượng xe quy đổi tương lai theo tiêu chuẩn hiện hành.
- Vạch và so sánh các phương án tuyến trên bình đồ tỉ lệ 1:10000; lựa chọn phương án tuyến tối ưu.
- Thiết kế kỹ thuật chi tiết cho phương án tuyến được lựa chọn (thiết kế bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, kết cấu áo đường mềm, hệ thống công trình thoát nước và an toàn giao thông).
- Lập phương án tổ chức thi công tổng thể và chi tiết cho các hạng mục: nền đường, móng - mặt đường, công trình cống thoát nước và công tác hoàn thiện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công trình đường ô tô làm mới nối hai điểm P và N.
- Phạm vi không gian: Tuyến đường chạy theo hướng Tây - Đông thuộc địa bàn tỉnh Bắc Giang. Điểm đầu P có cao độ tự nhiên 25 m, điểm cuối N có cao độ 60 m; đi qua địa hình vùng đồi, sườn đồi nhấp nhô và cắt qua các dòng suối tự nhiên.
- Phạm vi thời gian: Số liệu tính toán lấy mốc năm hiện tại (2018) với thời hạn tính toán tương lai $t = 15$ năm (giai đoạn 2018 - 2033), căn cứ quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội vùng giai đoạn 2015 - 2020. Nguồn vốn đầu tư được dự kiến bố trí từ Chương trình 135 của Chính phủ kết hợp ngân sách địa phương.
Cơ sở lý thuyết, quy chuẩn và phương pháp thiết kế
Tác giả sử dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình giao thông đường bộ bắt buộc của Việt Nam:
- TCVN 4054:2005: Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô.
- 22 TCN 211-06: Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm.
- Các quy trình, quy phạm hiện hành về khảo sát thủy văn, thiết kế công trình thoát nước và quy chuẩn báo hiệu đường bộ.
Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật:
- Phương pháp dự báo lưu lượng giao thông: Xác định lưu lượng xe hiện tại ($N_0 = 560$ xe/ngày đêm), quy đổi về lưu lượng xe con tương đương ($N_{t0} = 1025$ xcqđ/ngđ) thông qua các hệ số quy đổi phương tiện ($a_i$). Dự báo lưu lượng xe năm tương lai thứ 15 với tỷ lệ tăng trưởng giao thông hàng năm $p = 6%$/năm theo công thức:
$$N_t = N_0 \times (1 + p)^{t-1}$$
- Phương pháp tính toán động học xe chạy và năng lực thông hành: Xác định khả năng thông xe lý thuyết của một làn xe dựa trên cự ly an toàn $L_0 = l_0 + l_1 + S_h + l_k$ (trong đó xét đến thời gian phản ứng của người lái, quãng đường hãm phanh với hệ số bám dọc điều kiện mặt đường bất lợi và độ dốc dọc lớn nhất $i_{\max} = 6%$).
- Phương pháp thiết kế hình học tuyến: Tính toán các yếu tố cong nằm có bố trí đường cong chuyển tiếp (clothoid/parabol bậc 3), đoạn nối siêu cao, mở rộng bụng đường cong; tính toán bán kính đường cong đứng lồi và lõm dựa trên điều kiện tầm nhìn một chiều ($S_1$), tầm nhìn hai chiều ($S_2$), gia tốc ly tâm ($b \le 0.5\text{ m/s}^2$) và tầm nhìn ban đêm dưới ánh đèn pha.
- Phương pháp giải tích và cơ học đất: Thiết kế kết cấu áo đường mềm nhiều lớp chịu uốn và trượt đàn hồi; tính toán thủy lực cống tròn và rãnh biên; cân đối điều phối khối lượng đào - đắp nền đường.
Nguồn dữ liệu sử dụng: Bình đồ địa hình tỷ lệ 1:10000 có khoảng cao đều đường đồng mức $h = 5\text{ m}$; số liệu khảo sát khí hậu (nhiệt độ mùa mưa 25°C từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô 27°C từ tháng 12 đến tháng 4); số liệu địa chất khu vực (đất đồi núi cấp III, cấu tạo ổn định, không có hiện tượng sụt lở, đá lăn hay hang động karst).
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công trình
Căn cứ lưu lượng xe thiết kế tương lai $N_{15} = 2318\text{ xcqđ/ngđ}$, tuyến đường được xác định đạt cấp kỹ thuật Cấp IV (vùng đồi) với vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$.
Bảng tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính của tuyến
| STT |
Yếu tố kỹ thuật |
Đơn vị |
Giá trị tính toán |
Quy phạm quy định |
Giá trị thiết kế lựa chọn |
| 1 |
Cấp hạng kỹ thuật |
- |
- |
Cấp IV |
Cấp IV |
| 2 |
Vận tốc thiết kế ($V_{tk}$) |
km/h |
- |
60 |
60 |
| 3 |
Số làn xe |
làn |
0.51 |
2 |
2 |
| 4 |
Chiều rộng một làn xe |
m |
- |
3.50 |
3.50 |
| 5 |
Chiều rộng mặt đường ($B_m$) |
m |
- |
7.00 |
7.00 |
| 6 |
Chiều rộng lề đường ($B_l$) |
m |
- |
$2 \times 1.00$ |
$2 \times 1.00$ |
| 7 |
Chiều rộng lề gia cố ($B_{gc}$) |
m |
- |
$2 \times 0.50$ |
$2 \times 0.50$ |
| 8 |
Chiều rộng lề đất ($B_{đất}$) |
m |
- |
$2 \times 0.50$ |
$2 \times 0.50$ |
| 9 |
Chiều rộng nền đường ($B_n$) |
m |
- |
9.00 |
9.00 |
| 10 |
Độ dốc ngang mặt đường ($i_m$) |
% |
- |
2.0 |
2.0 |
| 11 |
Độ dốc ngang lề gia cố ($i_{gc}$) |
% |
- |
2.0 |
2.0 |
| 12 |
Độ dốc ngang lề không gia cố ($i_{kgc}$) |
% |
- |
4.0 |
4.0 |
| 13 |
Độ dốc dọc lớn nhất ($i_{d\max}$) |
% |
- |
6.0 |
6.0 |
| 14 |
Bán kính cong nằm tối thiểu giới hạn |
m |
128.8 |
125 |
130 |
| 15 |
Bán kính cong nằm tối thiểu thông thường |
m |
157.4 |
250 |
250 |
| 16 |
Bán kính cong nằm không siêu cao |
m |
472.4 |
> 1500 |
> 1500 |
| 17 |
Chiều dài đường cong chuyển tiếp tối thiểu |
m |
96.6 |
70 |
100 |
| 18 |
Tầm nhìn hãm xe ($S_1$) |
m |
66.67 |
75 |
75 |
| 19 |
Tầm nhìn ngược chiều ($S_2$) |
m |
119.0 |
150 |
150 |
| 20 |
Tầm nhìn vượt xe ($S_{vx}$) |
m |
360.0 |
350 |
360 |
| 21 |
Bán kính đường cong đứng lồi tối thiểu |
m |
2812.5 |
4000 |
4000 |
| 22 |
Bán kính đường cong đứng lõm tối thiểu |
m |
901.7 |
1500 |
1500 |
Giải pháp kết cấu áo đường mềm
Theo tính toán cường độ theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06, kết cấu phần xe chạy bao gồm 4 tầng lớp vật liệu:
- Lớp mặt trên: Bê tông nhựa chặt (BTN) hạt mịn dày 5 cm.
- Lớp mặt dưới: Bê tông nhựa hạt trung C19 dày 7 cm.
- Lớp móng trên: Cấp phối đá dăm (CPĐD) loại I dày 16 cm.
- Lớp móng dưới: Cấp phối đá dăm (CPĐD) loại II dày 16 cm.
- Phần lề gia cố: Sử dụng kết cấu đồng bộ với lớp mặt hoặc cấp phối gia cố nhằm tận dụng làm dải an toàn và thoát nước mặt.
Nội dung chính theo từng chương của đồ án
Đồ án được chia thành 3 phần chính với các chương chuyên môn:
Phần 1: Thiết kế cơ sở
- Chương I - Tình hình chung khu vực xây dựng tuyến: Trình bày lý do đầu tư, vị trí địa lý, địa hình đồi núi có cao độ biến thiên từ 25 m đến 60 m, địa chất đất cấp III ổn định, điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa phân hóa 2 mùa rõ rệt, nguồn vật liệu địa phương (cát, đá, sỏi cuội) và cơ sở pháp lý thuộc Chương trình 135.
- Chương II - Cấp hạng và các yếu tố kỹ thuật của tuyến: Tính toán quy đổi dòng xe, xác định lưu lượng xe thiết kế tương lai $N_{15} = 2318\text{ xcqđ/ngđ}$, phân cấp đường cấp IV đồng bằng/đồi, vận tốc $V_{tk} = 60\text{ km/h}$, xác lập kích thước hình học mặt cắt ngang ($B_n = 9\text{ m}, B_m = 7\text{ m}$) và các chỉ tiêu tầm nhìn, bán kính cong đứng, cong nằm.
- Chương III - Thiết kế tuyến trên bình đồ: Phân tích nguyên tắc vạch tuyến trên bình đồ tỷ lệ 1:10000, tránh các góc ngoặt gấp, hạn chế đào sâu đắp cao, tính toán các yếu tố hình học đường cong chuyển tiếp ($NĐ, TĐ, TC, NC$).
- Chương IV - Thiết kế nền - mặt đường: Đề xuất các yêu cầu kỹ thuật về độ bằng phẳng, độ nhám, khả năng chịu lực uốn/trượt; thiết lập mô hình tính toán kết cấu áo đường mềm theo 22 TCN 211-06.
- Chương V - Thiết kế công trình thoát nước: Phân tích thủy văn lưu vực sườn đồi và dòng suối chính; xác định khẩu độ cống thoát nước ngang, bố trí mạng lưới rãnh biên hình thang và rãnh đỉnh đón nước sườn đồi.
- Chương VI - Thiết kế trắc dọc: Thiết lập các nguyên tắc đi đường đỏ bám sát địa hình tự nhiên, đảm bảo cao độ khống chế mực nước ngập và khống chế cống; thiết kế đường cong đứng lồi $R = 4000\text{ m}$ và lõm $R = 1500\text{ m}$.
- Chương VII - Thiết kế trắc ngang và tính khối lượng đào đắp: Áp dụng trắc ngang mẫu nền đắp, nền đào, nền nửa đào nửa đắp; tính diện tích mặt cắt ngang và lập bảng khối lượng đào đắp dọc tuyến.
- Chương VIII - Các công trình báo hiệu đường bộ: Thiết kế hệ thống cọc tiêu, biển báo nguy hiểm, biển chỉ dẫn, vạch sơn kẻ đường và hộ lan mềm tại các đoạn đắp cao, đường cong bán kính nhỏ.
- Chương IX - So sánh và lựa chọn phương án tuyến: Tổng hợp khối lượng xây lắp, kinh phí đầu tư và các chỉ tiêu kỹ thuật giữa Phương án I và Phương án II; kết luận lựa chọn Phương án I làm phương án thiết kế kỹ thuật.
Phần 2: Thiết kế kỹ thuật (Đoạn tuyến Phương án I)
- Chương I - Thiết kế bình đồ đoạn tuyến Phương án I: Chi tiết hóa các đỉnh cong, góc chuyển hướng, cắm cong tròn có đường cong chuyển tiếp, siêu cao và mở rộng phần xe chạy.
- Chương II - Thiết kế trắc dọc, trắc ngang: Tính toán cao độ thiết kế, độ dốc dọc thực tế $i_d \le 6%$, bố trí chi tiết các mặt cắt ngang cọc $H$, cọc $KM$.
- Chương III - Thiết kế kết cấu áo đường: Xác định chính xác chiều dày các lớp kết cấu: BTN chặt 5 cm + BTN C19 7 cm + CPĐD loại I 16 cm + CPĐD loại II 16 cm cho phần xe chạy và kết cấu lề gia cố.
- Chương IV - Thiết kế công trình thoát nước: Định hình chi tiết cấu tạo rãnh biên gia cố rãnh xây/bê tông xi măng và các cống tròn bê tông cốt thép thoát nước địa hình.
Phần 3: Tổ chức thi công
- Chương I - Giới thiệu khái quát về tuyến đường: Khái quát hiện trạng mặt bằng, nguồn cung cấp điện, nước và đường vận chuyển vật liệu phục vụ công trường.
- Chương II - Quy mô tuyến đường thiết kế tổ chức thi công: Tổng hợp khối lượng xây lắp chính phục vụ lập kế hoạch tiến độ.
- Chương III - Chọn phương án thi công: Phân tích và lựa chọn phương pháp thi công dây chuyền chuyên môn hóa, xác định hướng thi công chủ đạo và phân đoạn thi công.
- Chương IV - Công tác chuẩn bị: Thiết lập quy trình giải phóng mặt bằng, khôi phục cọc định tuyến, dựng lán trại, ban chỉ huy công trường, phòng thí nghiệm hiện trường và bãi tập kết vật liệu.
- Chương V - Tổ chức thi công nền đường: Lập biện pháp thi công đào đất, đắp đất theo từng lớp lu lèn ($K \ge 0.95$ và $K \ge 0.98$ ở lớp sát đáy áo đường); tính toán điều phối đất dọc công trình.
- Chương VI - Tổ chức thi công cống: Thống kê số lượng công trình thoát nước ngang; thiết kế biện pháp thi công chi tiết cho 1 cống tròn bê tông cốt thép điển hình (đào hố móng, đệm cát/đá dăm, lắp đặt đốt cống, xây dựng sân cống và tường đầu).
- Chương VII - Tổ chức thi công mặt đường: Quy trình công nghệ rải và lu lèn móng CPĐD loại II dày 16 cm, CPĐD loại I dày 16 cm; tưới nhũ tương dính bám/thấm bám; rải và lu lèn bê tông nhựa C19 dày 7 cm và lớp mặt BTN dày 5 cm.
- Chương VIII - Công tác hoàn thiện: Trình tự gia cố mái taluy, đắp lề đất, lắp đặt cọc tiêu, biển báo hiệu và sơn kẻ đường.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
- Về quy hoạch và thiết kế hình học: Đã hoàn thành hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho tuyến đường cấp IV miền đồi nối 2 điểm P - N với chiều dài toàn tuyến hợp lý, bám sát địa hình tự nhiên, khống chế độ dốc dọc tối đa $i_{d\max} \le 6%$, bán kính cong nằm nhỏ nhất $R = 130\text{ m}$ và bố trí đầy đủ đường cong đứng lồi ($R = 4000\text{ m}$), lõm ($R = 1500\text{ m}$).
- Về kết cấu công trình: Đưa ra giải pháp kết cấu áo đường mềm 4 lớp bền vững (chiều dày tổng cộng 44 cm), đáp ứng tải trọng trục xe nặng và lưu lượng xe thiết kế đến năm thứ 15 đạt $2318\text{ xcqđ/ngđ}$.
- Về giải pháp tổ chức thi công: Đề xuất sơ đồ thi công dây chuyền liên tục, giải quyết bài toán cân bằng đào - đắp đất tại chỗ nhằm giảm chi phí vận chuyển mỏ vật liệu, xây dựng quy trình thi công cống và thảm bê tông nhựa theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật.
- Ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật: Đồ án đóng góp phương án kỹ thuật khả thi, tận dụng tối đa vật liệu địa phương (đá dăm, cát suối), góp phần hoàn thiện mạng lưới giao thông kết nối các vùng kinh tế mới của tỉnh Bắc Giang trong khuôn khổ Chương trình 135.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Đồ án được lập trên nền tài liệu bình đồ địa hình cho trước tỷ lệ 1:10000 nên mức độ chi tiết về vi địa hình cục bộ chưa tuyệt đối;
- Số liệu địa chất, thủy văn chủ yếu dựa trên khảo sát sơ bộ (đất cấp III đồng nhất) mà chưa xét đến các biến động phức tạp của mực nước ngầm hoặc túi bùn cục bộ tại các lòng suối sâu;
- Chỉ tiến hành thiết kế kỹ thuật chi tiết cho một phương án tuyến được chọn (Phương án I).
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Khảo sát địa chất công trình chi tiết bằng phương pháp khoan thăm dò tại các vị trí đặt cống sâu và đoạn nền đào sâu, đắp cao;
- Lập mô hình mô phỏng thoát nước mưa cực đoan theo biến đổi khí hậu;
- Tính toán chi tiết bài toán kinh tế - tài chính (phân tích chi phí - lợi ích CBA, suất sinh lời nội hoàn IRR) cho toàn bộ dự án đầu tư.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Xây dựng Cầu đường khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế đường ô tô, Đồ án Tổ chức thi công đường và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
- Kỹ sư thiết kế đường bộ mới ra trường cần mẫu biểu tra cứu các bước tính toán quy đổi lưu lượng giao thông theo TCVN 4054:2005, tính toán cấu tạo áo đường mềm theo 22 TCN 211-06 và lập thuyết minh tổ chức thi công dây chuyền.
Câu hỏi thường gặp
1. Tuyến đường P - N được thiết kế theo cấp hạng kỹ thuật nào và vận tốc thiết kế là bao nhiêu?
Tuyến đường được thiết kế đạt tiêu chuẩn Đường cấp IV (vùng đồng bằng và đồi) theo TCVN 4054:2005, với vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$.
2. Lưu lượng xe tính toán cho năm tương lai (năm thứ 15) của tuyến là bao nhiêu?
Lưu lượng xe ở thời điểm hiện tại là $560\text{ xe/ngày đêm}$ (tương đương $1025\text{ xcqđ/ngđ}$). Với tỷ lệ tăng trưởng $p = 6%$/năm, lưu lượng xe quy đổi tính toán cho năm thứ 15 đạt $2318\text{ xcqđ/ngđ}$.
3. Quy mô mặt cắt ngang của nền đường và mặt đường được quy định như thế nào?
Bề rộng nền đường $B_n = 9.0\text{ m}$; bề rộng mặt đường $B_m = 7.0\text{ m}$ (gồm 2 làn xe, mỗi làn rộng $3.5\text{ m}$); bề rộng lề đường $B_l = 2 \times 1.0\text{ m} = 2.0\text{ m}$ (trong đó lề gia cố rộng $2 \times 0.5\text{ m}$, lề đất rộng $2 \times 0.5\text{ m}$). Độ dốc ngang mặt đường và lề gia cố là $2%$, lề đất là $4%$.
4. Kết cấu áo đường mềm của phần xe chạy gồm những lớp nào?
Kết cấu gồm 4 lớp: Lớp mặt trên bằng BTN chặt hạt mịn dày $5\text{ cm}$; lớp mặt dưới bằng BTN hạt trung C19 dày $7\text{ cm}$; lớp móng trên bằng CPĐD loại I dày $16\text{ cm}$; lớp móng dưới bằng CPĐD loại II dày $16\text{ cm}$.
5. Phương pháp thi công chủ đạo được đề xuất trong đồ án là gì?
Đồ án lựa chọn Phương pháp thi công dây chuyền chuyên môn hóa, tổ chức thi công đồng bộ theo các phân đoạn từ nền đường, cống thoát nước đến các lớp móng và mặt đường bê tông nhựa.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Công Phồn đã hoàn thành đầy đủ, chi tiết các nội dung thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật và tổ chức thi công cho tuyến đường mới qua hai điểm P - N thuộc tỉnh Bắc Giang. Công trình đạt cấp kỹ thuật Cấp IV đồi núi với vận tốc thiết kế 60 km/h, sử dụng kết cấu áo đường mềm bê tông nhựa 4 lớp bền vững. Các tính toán hình học tuyến, thủy văn cống và tổ chức thi công dây chuyền đều tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn hiện hành TCVN 4054:2005 và 22 TCN 211-06. Đồ án có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp giải pháp hạ tầng giao thông đồng bộ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội địa phương.
