Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp ngành Cầu Đường của tác giả Hoàng Văn Sỹ (Lớp XD1201C, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) tập trung giải quyết bài toán thiết kế cơ sở và lập dự án đầu tư xây dựng tuyến đường giao thông A9-B9. Dự án được triển khai nhằm phục vụ trực tiếp cho định hướng phát triển kinh tế - xã hội và khai thác tiềm năng du lịch sinh thái tại khu vực hồ Cấm Sơn, huyện Krông Buk. Thực trạng hạ tầng khu vực nghiên cứu cho thấy trục giao thông đối ngoại duy nhất hiện hữu kết nối thị trấn Chũ với Cấm Sơn thông qua Quốc lộ 31 (liên kết với Quốc lộ 1A về phía Tây và Quốc lộ 279 về phía Đông) đã xuống cấp nghiêm trọng do thiếu công tác duy tu thường xuyên, tạo thành điểm nghẽn kìm hãm giao thương và du lịch.

Theo thuyết minh đồ án, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của dự án được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu trước mắt:
    • Xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông kỹ thuật nhằm kêu gọi các nhà đầu tư phát triển khu du lịch sinh thái Cấm Sơn và vùng đồi núi phía Bắc.
    • Nâng cao chất lượng mạng lưới giao thông địa phương, đáp ứng nhu cầu vận tải hành khách và hàng hóa ngày càng gia tăng.
    • Kích thích phát triển kinh tế các huyện miền núi, bảo đảm lưu thông hàng hóa liên vùng.
    • Cụ thể hóa quy hoạch và định hướng phát triển kinh tế - xã hội trên địa bàn tỉnh đến năm 2020.
    • Làm căn cứ kỹ thuật phục vụ công tác quản lý xây dựng và xúc tiến đầu tư theo quy hoạch đã duyệt.
  2. Mục tiêu lâu dài:
    • Đưa tuyến đường A9-B9 trở thành một mắt xích hoàn chỉnh trong hệ thống tỉnh lộ.
    • Góp phần củng cố quốc phòng - an ninh tại địa bàn chiến lược, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa địa phương.

Về phạm vi nghiên cứu, dự án được bố trí trên địa bàn xã Kiên Lao, huyện Krông Buk, cách trung tâm huyện lỵ 9,5 km về phía Tây Bắc. Quy mô tính toán thiết kế cân bằng quỹ đất trực tiếp là 402,5 ha; quy mô nghiên cứu liên kết vùng phụ cận bảo đảm tính toàn diện khoảng 2.500 ha (toàn bộ khu vực rừng Cấm Sơn).

Về hình thức đầu tư và nguồn vốn, dự án sử dụng nguồn kinh phí ngân sách nhà nước dành cho đầu tư xây dựng hạ tầng cơ bản. Nền đường cùng các công trình thoát nước (cầu, cống) áp dụng hình thức đầu tư tập trung một lần; riêng kết cấu áo đường được đưa ra 2 phương án so sánh kinh tế - kỹ thuật (đầu tư tập trung một lần hoặc đầu tư phân kỳ).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án được thực hiện dựa trên hệ thống cơ sở pháp lý, tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của ngành Giao thông Vận tải và Xây dựng tại thời điểm lập đồ án:

  • Cơ sở pháp lý: Luật Xây dựng số 16/2003/QH11; Nghị định số 08/2005/NĐ-CP về Quy hoạch xây dựng; Thông tư số 15/2005/TT-BXD hướng dẫn lập, thẩm định, phê duyệt quy hoạch xây dựng; Thông tư số 16/2005/TT-BXD hướng dẫn điều chỉnh dự toán xây dựng công trình; Quyết định số 06/2005/QĐ-BXD về định mức chi phí quy hoạch; Quyết định số 5645/QĐ-UB của UBND tỉnh phê duyệt nhiệm vụ chuẩn bị đầu tư; Hợp đồng kinh tế số 05-TEDI-127 với Tổng công ty Tư vấn thiết kế GTVT (TEDI).
  • Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật cốt lõi:
    • TCVN 4054:2005: Đường ô tô – Yêu cầu thiết kế.
    • 22 TCN 211-06: Quy trình thiết kế áo đường mềm.
    • 22 TCN 220-95: Quy trình tính toán đặc trưng dòng chảy lũ.
    • 22 TCN 272-05: Tiêu chuẩn thiết kế cầu.
    • 22 TCN 263-2000, 22 TCN 259-2000, 22 TCN 262-2000: Quy trình khảo sát đường ô tô, khoan thăm dò địa chất và xử lý nền đất yếu.
    • Thiết kế định hình cống tròn bê tông cốt thép (BTCT) 533-01-01, 533-01-02 và cống chữ nhật BTCT 80-09X.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật trong đồ án bao gồm:

  • Dự báo lưu lượng và phân tích dòng xe: Áp dụng công thức tăng trưởng luỹ thừa với tỷ lệ tăng trưởng giả định $q = 7%/\text{năm}$, quy đổi các loại phương tiện (xe con, tải nhẹ, tải trung, tải nặng) về trục xe con tiêu chuẩn theo TCVN 4054:2005 để xác định cấp hạng kỹ thuật của đường trong thời hạn 15 năm.
  • Phân tích động lực học xe chạy: Xác định các thông số hình học giới hạn của tuyến (bề rộng làn, độ dốc dọc lớn nhất $i_{\max}$, bán kính cong đứng, bán kính cong nằm) thông qua việc phân tích quan hệ động lực giữa sức kéo, sức cản không khí, lực bám của bánh xe trên mặt đường ướt/bẩn ($\varphi = 0,3$), cũng như kiểm toán 3 sơ đồ xếp xe trên mặt cắt ngang.
  • Phương pháp tính toán thủy văn – thủy lực công trình thoát nước nhỏ: Áp dụng phương pháp hình thái dòng chảy lũ lưu vực nhỏ theo 22 TCN 220-95 (tần suất thiết kế cống $p = 4%$, vùng mưa rào VIII, lượng mưa ngày $H_{4%} = 215\text{ mm}$) để tính toán lưu lượng lũ thiết kế $Q_{4%}$ và chọn khẩu độ cống.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm số liệu điều tra đếm xe hiện trạng, bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 và 1:5.000, số liệu quan trắc khí tượng thủy văn của Trạm Khí tượng Thủy văn khu vực, báo cáo điều tra thổ nhưỡng, địa chất công trình và các tài liệu quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội địa phương.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công trình

Trên cơ sở kết quả tính toán động lực học xe chạy và lưu lượng dự báo đến năm thứ 15 đạt $N_{t\text{bngđ}} = 5594,38\text{ xcqđ/ngđ}$, tuyến đường được ấn định quy mô cấp thiết kế là cấp III miền núi (vùng đồi), vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$.

Tác giả đã lập bảng tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính của tuyến làm cơ sở cho toàn bộ hồ sơ thiết kế:

STT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Giá trị tính toán Quy phạm (TCVN 4054:2005) Kiến nghị áp dụng
1 Cấp thiết kế / Vận tốc thiết kế - / km/h - Cấp III / 60 Cấp III / 60
2 Lưu lượng xe năm thứ 15 xcqđ/ngđ 5594,38 - 5594,38
3 Số làn xe / Bề rộng một làn xe làn / m 1 / 3,83 2 / 3,50 2 / 3,50
4 Bề rộng phần xe chạy m 7,66 7,00 7,00
5 Bề rộng lề gia cố m - $2 \times 0,50$ $2 \times 2,00$
6 Bề rộng lề đất m - $2 \times 0,50$ $2 \times 0,50$
7 Bề rộng nền đường m - 9,00 12,00
8 Độ dốc ngang mặt đường & lề gia cố / lề đất % - 2 / 6 2 / 6
9 Độ dốc dọc lớn nhất ($i_{\max}$) % 0,9 (tải nặng) 6 6 (chọn $\le 4%$ khi thông thường)
10 Độ dốc dọc nhỏ nhất trong nền đào % - 0,5 0,5
11 Chiều dài tối thiểu đoạn đổi dốc m - 150 150
12 Bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn ($i_{sc}=7%$) m 128,85 125 125
13 Bán kính cong nằm tối thiểu không làm siêu cao m 472,44 1500 1500
14 Bán kính cong nằm tối thiểu bảo đảm tầm nhìn đêm m 1125 - 1125
15 Bán kính cong đứng lồi tối thiểu m 2343,75 2500 2500
16 Bán kính cong đứng lõm tối thiểu m 553,83 1000 1000 (1366 để đủ tầm nhìn đêm)
17 Tầm nhìn một chiều (dừng xe) / hai chiều m 65 / 120 75 / 150 75 / 150
18 Tầm nhìn vượt xe m 410 350 350
19 Tần suất thiết kế cống, rãnh / cầu nhỏ % - 4 / 4 4 / 4

Các giải pháp kỹ thuật công trình chính được thuyết minh trong đồ án:

  • Cấu tạo mặt cắt ngang: Nhằm đáp ứng lưu lượng xe thô sơ giờ cao điểm ($N_{cđgi\grave{o}} = 750\text{ xe/h/chiều}$) và tăng tính tiện nghi cho tuyến đường phục vụ du lịch sinh thái, đơn vị tư vấn/tác giả kiến nghị mở rộng phần lề gia cố lên $2 \times 2,00\text{ m}$ (so với mức quy chuẩn tối thiểu $2 \times 0,50\text{ m}$), nâng tổng bề rộng nền đường lên $12,00\text{ m}$.
  • Công trình thoát nước: Hệ thống thoát nước ngang sử dụng cống tròn bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc đổ tại chỗ theo định hình. Nền đất dưới móng cống được xử lý gia cố bằng cọc tre có đường kính gốc từ $6 \div 8\text{ cm}$, chiều dài cọc $2 \div 3\text{ m}$, mật độ đóng 25 cọc/m². Khoảng cách bố trí cống cấu tạo thoát nước rãnh dọc tối đa là 500 m.
  • Khống chế cao độ đường đỏ: Cao độ thiết kế tim đường tại các điểm khống chế ngập lụt được xác định dựa trên điều kiện mực nước lũ tần suất $p = 4%$ cộng thêm chiều cao an toàn vai đường ($0,50\text{ m}$), chênh cao vai - tim ($0,14 \div 0,24\text{ m}$) và chiều cao dự phòng lún ($0,20 \div 0,25\text{ m}$). Đồng thời, đáy kết cấu áo đường phải cao hơn mực nước đọng thường xuyên tối thiểu $0,50\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương này tổng hợp toàn diện các điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của vùng dự án. Vị trí tuyến thuộc xã Kiên Lao, huyện Krông Buk. Về mặt địa hình, khu vực dự án bao gồm vùng núi cao (chiếm gần 60% diện tích, độ cao $300 \div 400\text{ m}$, độ dốc $> 25^\circ$) và vùng đồi thấp (chiếm trên 40% diện tích, độ cao $80 \div 120\text{ m}$). Khu vực lòng hồ Cấm Sơn có cao trình mặt nước lớn nhất là $+47,50\text{ m}$, thấp nhất $+34,50\text{ m}$, trung bình $+42,20\text{ m}$; các đồi bao quanh có độ dốc phổ biến $30% \div 35%$, độ dốc trung bình 12%.

Khí hậu mang tính chất nhiệt đới gió mùa vùng núi, nhiệt độ trung bình năm $23,5^\circ\text{C}$, lượng mưa trung bình $1.321\text{ mm/năm}$ (thấp hơn bình quân chung của tỉnh). Dữ liệu thổ nhưỡng thống kê có 6 nhóm đất chính với 14 nhóm phụ, trong đó đất Feralit trên núi cao chiếm $24,4%$ ($23.154,73\text{ ha}$) và Feralit điển hình đồi cao chiếm $59,8%$ ($56.786,97\text{ ha}$). Về xã hội, dân số xã Kiên Lao năm 2002 là 6.099 người (mật độ 108 người/km²), với $99,51%$ lao động nông - lâm nghiệp (2.853/2.867 người). Đồ án xác lập luận cứ về sự cần thiết đầu tư nhằm phá vỡ tính chất thuần nông tự cấp, kết nối hạ tầng du lịch và hỗ trợ quốc phòng - an ninh.

Chương 2. Quy mô và tiêu chuẩn kỹ thuật

Tác giả trình bày chi tiết các công thức và bước tính toán xác lập chỉ tiêu kỹ thuật. Lưu lượng xe ban đầu khảo sát là $N_0 = 1130\text{ xe/ngđ}$ (xe con 43%, tải nhẹ 19%, tải trung 25%, tải nặng 13%), quy đổi ra xe con là $N_{0qđ} = 2062,35\text{ xcqđ/ngđ}$. Tính toán số làn xe theo công thức thông hành giờ cao điểm xác định đường cần 2 làn xe cơ giới.

Chương này tiến hành kiểm toán sức kéo và sức bám của 4 dòng xe đại diện (xe con Volga, tải nhẹ GAZ-51, tải trung ZIL-150, tải nặng MAZ-200). Kết quả cho thấy độ dốc dọc giới hạn theo điều kiện bám ($i_{b\max} = 12,2% \div 19,2%$) luôn lớn hơn độ dốc theo điều kiện kéo ($i_{\max} = 0,9% \div 8,9%$). Do vận tốc vượt dốc của xe tải nặng ở độ dốc $6%$ bị giảm xuống $20\text{ km/h}$, tác giả kiến nghị chỉ áp dụng $i_{\max} = 6%$ ở địa hình đặc biệt khó khăn, còn thông thường duy trì $i \le 4%$. Bán kính cong nằm giới hạn có siêu cao được chọn là $R_{\min} = 125\text{ m}$; bán kính không làm siêu cao là $1500\text{ m}$. Bán kính cong đứng lồi chọn $R_{\min} = 2500\text{ m}$, cong đứng lõm chọn $1000\text{ m}$.

Chương 3. Thiết kế bình đồ tuyến

Chương 3 xây dựng các phương án tuyến trên bình đồ tỷ lệ 1:10.000 dựa trên nguyên tắc bám sát điểm khống chế, ôm theo sườn địa hình để giảm khối lượng đào đắp và tránh xâm phạm khu dân cư. Tác giả đề xuất 5 phương án tuyến sơ bộ:

  • Phương án 3 và 4: Gây chia cắt địa hình mạnh, khối lượng đào đắp lớn, hạn chế tầm nhìn qua đèo (bị loại).
  • Phương án 5: Chiều dài ngắn nhất nhưng chia cắt địa hình và đi xuyên qua khu dân cư đông đúc (bị loại).
  • Phương án 1: Men theo ranh giới giữa núi và ruộng, ít chia cắt địa hình nhất, tầm nhìn tốt nhưng chiều dài lớn nhất và có nhiều công trình thoát nước.
  • Phương án 2: Chia cắt địa hình ở mức chấp nhận được, cảnh quan đẹp, nhưng có đoạn đắp cao và hạn chế tầm nhìn tại vị trí vượt đèo đầu tiên.

Tác giả quyết định chọn Phương án 1 và Phương án 2 để triển khai thiết kế cơ sở và so sánh kinh tế - kỹ thuật. Quy trình vạch tuyến áp dụng phương pháp đường tang với bước compa $\lambda = 2\text{ cm}$ trên bản đồ (tương ứng chênh cao đường đồng mức $H = 5\text{ m}$, độ dốc đều $i_d = 5%$). Các yếu tố góc ngoặc, tiếp tuyến ($T$), phân cự ($p$), chiều dài đường cong tròn ($K$), đoạn đo tròn ($D$) được tính toán chi tiết và rải cọc chi tiết trên tuyến.

Chương 4. Thiết kế thoát nước

Tác giả phân tích tính cấp thiết của hệ thống thoát nước với quan điểm "nước là kẻ thù của đường". Do tuyến đi qua vùng đồi núi có mực nước ngầm nằm sâu nên không cần thiết kế hạ ngầm, giải pháp trọng tâm là thoát nước mặt và thoát nước địa hình qua các khe tụ thủy.

Chương này trình bày chi tiết quy trình tính toán thủy văn theo tiêu chuẩn 22 TCN 220-95 với tần suất thiết kế $p = 4%$. Các thông số lưu vực bao gồm: chiều dài sườn dốc $b_{sd}$, đặc trưng địa mạo sườn dốc $\Phi_{sd}$, thời gian tập trung nước trên sườn dốc $t_{sd}$, đặc trưng lòng suối $\Phi_{ls}$, từ đó xác định lưu lượng lũ đỉnh triều $Q_{4%}$. Toàn bộ các vị trí vượt khe tụ thủy được thiết kế cống tròn BTCT chảy không áp; móng cống gia cố 25 cọc tre/m². Đối với rãnh biên hình thang, quy định bố trí cống cấu tạo với cự ly không vượt quá 500 m để thoát nước ra ngoài phạm vi nền đường.

Chương 5. Thiết kế trắc dọc, trắc ngang

Trắc dọc tuyến được thiết kế tuân thủ các điểm cao độ khống chế đầu - cuối tuyến, nút giao và các vị trí cầu cống. Thuyết minh thiết lập 2 công thức xác định cao độ đường đỏ thấp nhất tại tim đường nhằm bảo đảm an toàn ngập lũ và chống mao dẫn ẩm:

$$\text{Cao độ đường đỏ (theo lũ)} = H_{4%} + 0,50\text{ m} + (0,14 \div 0,24)\text{ m} + (0,20 \div 0,25)\text{ m}$$

$$\text{Cao độ đường đỏ (theo mực nước thường xuyên)} = H_{tx} + 0,50\text{ m} + 0,60\text{ m} + (0,14 \div 0,24)\text{ m} + (0,20 \div 0,25)\text{ m}$$

Mặt cắt ngang được thiết kế với bề rộng nền đường 12,00 m, độ dốc ngang mặt đường $2%$, lề đất $6%$, mái taluy đào đắp được định hình theo tính chất cơ lý của đất nhằm bảo đảm ổn định trượt lở.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán kỹ thuật cho dự án xây dựng tuyến đường A9-B9:

  • Xác lập bộ thông số hình học hoàn chỉnh cho tuyến đường cấp III miền núi ($V_{tk} = 60\text{ km/h}$) theo đúng TCVN 4054:2005.
  • Sàng lọc từ 5 phương án ban đầu để lựa chọn 2 phương án tuyến tối ưu (Phương án 1 và Phương án 2) có tính khả thi cao về bình đồ, cảnh quan và khối lượng đào đắp.
  • Đưa ra giải pháp mở rộng lề gia cố lên $2,00\text{ m}$ mỗi bên, giải quyết đồng thời bài toán an toàn giao thông cho lưu lượng xe thô sơ lớn ($750\text{ xe/h}$) và tạo không gian dừng đỗ ngắm cảnh cho tuyến du lịch sinh thái.
  • Thiết lập quy trình tính toán thủy văn - thủy lực cống tròn BTCT theo 22 TCN 220-95 và giải pháp xử lý móng cống trên nền đất yếu/đất tụ thủy bằng cọc tre cục bộ ($25\text{ cọc/m}^2$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Trong giai đoạn thiết kế cơ sở, đồ án chưa bố trí đường cong chuyển tiếp Clotoid chi tiết cho từng khúc ngoặt mà chỉ áp dụng đường cong tròn đơn giản; số liệu địa chất thủy văn công trình ngầm chủ yếu dựa trên khảo sát giếng đào dân sinh ($20 \div 25\text{ m}$) mà chưa có kết quả khoan thăm dò địa chất sâu chuyên dụng dọc tim tuyến.
  • Hướng phát triển tiếp theo: Chuyển sang giai đoạn thiết kế kỹ thuật thi công; hoàn thiện bố trí đường cong chuyển tiếp Clotoid; tính toán kết cấu áo đường mềm nhiều lớp theo 22 TCN 211-06 (bê tông nhựa hạt trung, hạt mịn, cấp phối đá dăm loại I, loại II); lập bảng điều phối khối lượng đất đào đắp chi tiết và tiến độ thi công tổng thể bằng sơ đồ ngang/dây chuyền.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực quan và hữu ích cho sinh viên ngành Xây dựng Cầu Đường, Kỹ thuật Giao thông và các kỹ sư thiết kế công trình đường bộ:

  • Phần đáng tham khảo nhất là phương pháp tính toán động lực học xe chạy để luận chứng chỉ tiêu kỹ thuật mặt cắt ngang và trắc dọc (Chương 2).
  • Phương pháp khoanh lưu vực tụ thủy và áp dụng tiêu chuẩn 22 TCN 220-95 để tính toán khẩu độ cống thoát nước nhỏ vùng đồi núi (Chương 4).
  • Phương pháp vạch tuyến theo đường tang compa trên bình đồ đường đồng mức phức tạp (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến đường A9-B9 được thiết kế theo cấp hạng kỹ thuật nào và vận tốc thiết kế là bao nhiêu?
Tuyến đường được thiết kế theo tiêu chuẩn cấp III miền núi (địa hình vùng đồi) theo TCVN 4054:2005, vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$.

2. Tại sao đồ án kiến nghị bề rộng nền đường là 12,00 m thay vì 9,00 m như quy phạm tối thiểu?
Quy phạm quy định nền đường cấp III miền núi rộng 9,00 m (mặt 7,00 m; lề gia cố $2 \times 0,50\text{ m}$; lề đất $2 \times 0,50\text{ m}$). Tác giả kiến nghị tăng bề rộng lề gia cố lên $2 \times 2,00\text{ m}$ (tổng nền 12,00 m) để bố trí làn riêng cho xe thô sơ có lưu lượng lớn ($750\text{ xe/h/chiều}$) và phục vụ xe dừng đỗ tạm thời ngắm cảnh trong khu du lịch sinh thái.

3. Tiêu chuẩn và phương pháp nào được sử dụng để tính toán thủy văn cho các công trình cống trên tuyến?
Đồ án áp dụng tiêu chuẩn 22 TCN 220-95 với tần suất thiết kế lũ $p = 4%$, thuộc vùng mưa rào VIII với lượng mưa ngày thiết kế $H_{4%} = 215\text{ mm}$ theo phương pháp hình thái dòng chảy lưu vực nhỏ.

4. Giải pháp xử lý móng cống tròn BTCT được đề xuất trong đồ án là gì?
Móng cống được gia cố bằng cọc tre có đường kính gốc từ $6 \div 8\text{ cm}$, chiều dài cọc $2 \div 3\text{ m}$, với mật độ đóng thiết kế là 25 cọc/m².

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hoàng Văn Sỹ đã hoàn thành việc lập thiết kế cơ sở cho dự án xây dựng tuyến đường A9-B9 phục vụ phát triển khu du lịch sinh thái Cấm Sơn. Toàn bộ các nội dung từ khảo sát hiện trạng, dự báo lưu lượng, xác định chỉ tiêu kỹ thuật, vạch tuyến bình đồ đến thiết kế thoát nước và trắc dọc - trắc ngang đều tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành như TCVN 4054:2005 và 22 TCN 220-95. Công trình cung cấp hệ thống luận cứ kinh tế - kỹ thuật và hồ sơ số liệu tin cậy cho các bước triển khai thiết kế thi công tiếp theo của dự án đường ô tô vùng đồi núi.