Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Giao thông đường bộ giữ vai trò huyết mạch trong sự phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt với các quốc gia đang trong giai đoạn công nghiệp hóa như Việt Nam. Tuyến đường từ A đến B thuộc xã Yên Thạch, huyện Lập Thạch, tỉnh Vĩnh Phúc nằm tại vùng miền núi có địa hình phức tạp, dân cư chủ yếu là nông dân, cơ sở hạ tầng giao thông còn hạn chế. Tuyến đường hiện tại là tỉnh lộ 306, chịu áp lực lưu lượng lớn và chưa đáp ứng được nhu cầu kết nối giữa các trung tâm kinh tế - chính trị - văn hóa của tỉnh.

Đồ án được giao cho sinh viên lớp 53 KTXDCT, Trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam, thực hiện từ ngày 25/03/2013 đến ngày 31/05/2013, dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Việt Hồng và thầy Nguyễn Hoàng Phong, Bộ môn Kỹ Thuật Công Trình.

Nhiệm vụ thiết kế gồm ba phần:

  1. Thiết kế cơ sở (lập dự án đầu tư) cho toàn tuyến A–B đi qua Lập Thạch – Vĩnh Phúc, từ Km 0+00 đến Km 6+193,11.
  2. Thiết kế kỹ thuật cho đoạn từ Km 0+00 đến Km 1+498,94.
  3. Tổ chức thi công chi tiết áo đường cho tuyến đường trong bước lập dự án.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Tuyến đường từ A đến B, địa bàn xã Yên Thạch, huyện Lập Thạch, tỉnh Vĩnh Phúc; đoạn thiết kế kỹ thuật chi tiết dài 1.498,94 m.
  • Thời gian: Thời hạn thiết kế và tính toán áo đường là 15 năm; số liệu kinh tế - xã hội và quy hoạch tham chiếu đến năm 2020.
  • Chủ đầu tư: UBND tỉnh Vĩnh Phúc, đại diện là Sở Giao thông vận tải tỉnh Vĩnh Phúc; đơn vị tư vấn thiết kế là Công ty CP TVTK Cầu đường (TEDI_RECO).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật

Đồ án áp dụng đồng bộ hệ thống văn bản pháp luật và quy trình kỹ thuật hiện hành:

  • Luật Xây dựng ngày 26/11/2003 của Quốc hội nước CHXHCN Việt Nam.
  • Nghị định 16/2005/NĐ-CP ngày 7/2/2005 và Nghị định 112/2006/NĐ-CP ngày 29/9/2006 về quản lý dự án đầu tư xây dựng.
  • Nghị định 209/2004/NĐ-CP ngày 16/12/2004 và Nghị định 49/2008/NĐ-CP ngày 18/4/2008 về quản lý chất lượng công trình xây dựng.
  • TCVN 4054-2005 – Đường ô tô: yêu cầu thiết kế (tiêu chuẩn chủ đạo [1]).
  • 22 TCN 211-06 – Quy trình thiết kế áo đường mềm [2].
  • 22 TCN 263-2000 – Quy trình khảo sát đường ôtô.
  • 22 TCN 259-2000 – Quy trình khoan thăm dò địa chất.
  • 96 TCN 43-90 – Quy phạm đo vẽ địa hình.
  • 22 TCN 262-2000 – Quy trình KSTK nền đường ôtô đắp trên đất yếu [5].
  • Đơn giá xây dựng cơ bản tỉnh Vĩnh Phúc năm 2012.

Phương pháp và công cụ

  • Phân tích - tổng hợp số liệu khí tượng thủy văn, địa chất công trình và kinh tế - xã hội khu vực dự án.
  • Tra bảng và tính toán giải tích theo các quy trình tiêu chuẩn: xác định cấp hạng đường, tầm nhìn xe chạy, bán kính đường cong nằm và đứng, độ dốc dọc, mô đun đàn hồi, ứng suất kéo uốn.
  • So sánh phương án: đề xuất và so sánh 3 phương án hướng tuyến, 2 phương án kết cấu móng áo đường dựa trên chi phí xây dựng.
  • Phần mềm Nova_TDN hỗ trợ tính toán khối lượng đào đắp mặt cắt ngang.
  • Toán đồ Kôgan tra mô đun đàn hồi chung của kết cấu áo đường nhiều lớp.

Nguồn dữ liệu

Số liệu điều tra lưu lượng xe, dự báo giao thông, bản đồ địa hình tỉ lệ 1:10.000, kết quả khoan thăm dò địa chất, số liệu khí tượng thủy văn từ trạm Thủy Nông – Lập Thạch, và đơn giá xây dựng của tỉnh Vĩnh Phúc.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Thiết kế cơ sở dự án đầu tư

Chương 1 – Giới thiệu chung

Tuyến đường đi qua vùng địa hình đồi núi huyện Lập Thạch, tỉnh Vĩnh Phúc – tỉnh cách Hà Nội 60 km về phía bắc với dân số 993,1 nghìn người (năm 2008). Khu vực có hệ thống sông dày đặc (Sông Lô, Sông Phó Đáy, Sông Hồng), địa hình mấp mô hình thành bởi sự bồi tụ của các con sông, tổng lượng mưa hàng năm đạt 1.500 mm. Nước dưới đất tồn tại ở hai tầng chứa nước chính (độ sâu 5,0–7,0 m). Chương xác lập sự cần thiết đầu tư dự án ở ba chiều: tiềm năng phát triển kinh tế vùng (chia sẻ lưu lượng cho tỉnh lộ 306, thúc đẩy du lịch), ý nghĩa chính trị - văn hóa, và đảm bảo an ninh - quốc phòng.

Chương 2 – Quy mô, tiêu chuẩn kỹ thuật

Lưu lượng xe năm tính toán Ntt = 2.000 (xe/ngày đêm), tỷ lệ tăng xe hàng năm q = 8%, lưu lượng xe thiết kế sau quy đổi Ntk = 4.550 xcqđ/ngày đêm. Từ đó tuyến được phân cấp đường cấp III miền núi, tốc độ thiết kế Vtk = 60 km/h, mặt cắt ngang 2 làn xe.

Chỉ tiêu kỹ thuật Tính toán Quy phạm Chọn
Bề rộng phần xe chạy 7,65 m (sơ đồ 1) — 6,00 m (2×3,00 m)
Bề rộng nền đường — — 9,00 m
Tầm nhìn 1 chiều S1 66,4 m 75 m 75 m
Tầm nhìn 2 chiều S2 123 m 150 m 150 m
Tầm nhìn vượt xe S4 366,8 m 350 m 350 m
Bán kính đường cong nằm tối thiểu (có siêu cao) 128,85 m 125 m 125 m
Bán kính đường cong nằm không siêu cao 472,44 m 1.500 m 1.500 m
Bán kính đường cong đứng lồi tối thiểu 2.343,75 m 2.500 m 2.500 m
Bán kính đường cong đứng lõm tối thiểu 553,83 m 1.000 m 1.000 m
Độ dốc dọc lớn nhất — 7% 7%

Chương 3 – Thiết kế bình đồ tuyến

Từ phân tích địa hình đồi núi (điểm cao nhất 812,30 m, điểm thấp nhất 754,00 m), đồ án đề xuất 3 phương án hướng tuyến. Sau khi so sánh sơ bộ, chọn phương án 1 và phương án 2 đưa vào thiết kế sơ bộ. Phương án 2 được đánh giá có chiều dài ngắn hơn, ít đường cong nằm, ít bị chia cắt địa hình và bố trí công trình thoát nước thuận lợi hơn. Bước compa vạch tuyến lý thuyết được tính với độ dốc đều id = imax − i' = 5%.

Chương 4 – Thiết kế thoát nước

Lưu lượng thiết kế tính theo tần suất 4% (H₄% = 200 mm, vùng mưa VI) cho từng tiểu lưu vực. Tối đa 500 m phải bố trí một cống cấu tạo để thoát nước rãnh dọc. Rãnh dọc hình thang, đáy nhỏ 0,4 m. Đoạn tuyến cắt qua các khe tụ thủy bố trí cống địa hình; mực nước ngầm nằm sâu nên không cần hệ thống thoát nước ngầm.

Chương 5 – Thiết kế mặt cắt dọc và mặt cắt ngang

Cao độ đường đỏ tại tim đường phải đảm bảo: cao hơn mực nước lũ tần suất 4% ít nhất 0,50 m; đáy kết cấu áo đường cao hơn mực nước đọng thường xuyên ít nhất 0,50 m. Mặt cắt ngang thiết kế thống nhất: nền đường rộng 9 m, phần xe chạy 2×3 m, lề gia cố 2×1,0 m, lề đất 2×0,5 m, dốc ngang phần xe chạy 2%, dốc taluy đào 1:1, taluy đắp 1:1,5. Khối lượng đào đắp được tính bằng phần mềm Nova_TDN.

Chương 6 – Chỉ tiêu vận doanh

Biểu đồ vận tốc xe chạy lý thuyết được lập cho xe Zil150 (tải trung, chiếm 50% dòng xe). Vận tốc cân bằng xác định từ điều kiện cân bằng sức kéo; vận tốc hạn chế trên đường cong nằm tính theo công thức Vhc = √[127R(μ + isc)]; vận tốc hạn chế trên đường cong đứng lõm Vhc = 2,55√Rlom. Tiêu hao nhiên liệu tính cho từng đoạn ngắn với qc = 280 g/mã lực·giờ, trọng lượng xe G = 10 T, hệ số hiệu dụng η = 0,9.

Chương 7 – Lựa chọn giải pháp thiết kế áo đường mềm

Tải trọng trục tiêu chuẩn 100 kN, áp lực tính toán 0,6 MPa, đường kính vệt bánh xe 33 cm. Lưu lượng xe năm thứ 15: N₁₅ = 3.500 xe/ngày đêm; lưu lượng quy đổi về trục tiêu chuẩn N₁₅ = 680 trục xe tiêu chuẩn/ngày đêm; Ntt = 680 × 0,55 = 374 trục/làn·ngày đêm. Kết cấu áo đường cấp cao A1 được lựa chọn với 4 lớp:

Lớp Vật liệu Chiều dày chọn
Mặt trên Bê tông nhựa hạt mịn, E = 420 MPa 4 cm
Mặt dưới Bê tông nhựa hạt trung, E = 350 MPa 6 cm
Móng trên Cấp phối đá dăm loại I, E = 300 MPa 16 cm
Móng dưới Cấp phối đá dăm loại II, E = 250 MPa 33 cm

Kiểm tra độ võng đàn hồi: Ech = 182,06 MPa > Echmin = Kcddv × Eyc = 1,06 × 170,44 = 181 MPa — đạt yêu cầu. Kiểm tra điều kiện cắt trượt: Tax + Tav = 0,0052 MPa < Ctt/Ktrcd = 0,0256 MPa — đạt. Giải pháp h3 = 16 cm, h4 = 33 cm của phương án I (cấp phối đá dăm loại I + loại II) có giá thành rẻ nhất: G = 8.659.081 đ/100 m².

Chương 8 – Phân tích kinh tế dự án đầu tư

Lập tiên lượng và tổng dự toán bao gồm: chi phí đền bù giải phóng mặt bằng, chi phí xây dựng nền đường, chi phí xây dựng áo đường, chi phí xây dựng công trình thoát nước. Tổng chi phí xây dựng và khai thác được quy đổi về năm gốc, phân tích hiệu quả tài chính theo phương pháp so sánh với phương án nguyên trạng (không đầu tư).

Chương 9 – Đánh giá tác động môi trường

Nhận diện 4 nhóm tác động: ô nhiễm không khí, mức ồn và rung, nguy cơ ô nhiễm nước, ảnh hưởng đến tài nguyên. Đề xuất giải pháp khắc phục theo 3 nhóm: giải pháp cho môi trường nhân văn và kinh tế xã hội, giải pháp phục hồi chế độ thủy văn, giải pháp kiểm soát tác động thi công.

Phần 2: Thiết kế kỹ thuật (Km 0+00 – Km 1+498,94)

Chương 2 – Thiết kế tuyến

Tính toán chi tiết các yếu tố đường cong nằm (kiểm tra sai số đo dài và đo góc), tính toán thủy văn, thiết kế mặt cắt dọc kỹ thuật và tính toán khối lượng đào đắp.

Chương 3 – Tính toán quy hoạch hệ thống thoát nước

Thiết kế chi tiết rãnh biên hình thang và cống tại Km 0+429,42. Trình tự tính toán gồm: xác định lưu lượng, chiều sâu nước chảy tự nhiên, mực nước dâng trước cống H, độ dốc phân giới ik, vận tốc nước chảy trong cống V₀, gia cố thượng lưu và hạ lưu cống.

Chương 4 – Thiết kế chi tiết siêu cao mở rộng

Đoạn thiết kế Km 0+123,34 đến Km 0+278,44, trình bày phương pháp cấu tạo siêu cao và các số liệu thiết kế theo quy trình TCVN 4054-2005.

Chương 5 – Thiết kế kết cấu áo đường

Xác định yêu cầu vật liệu cho 4 lớp kết cấu: bê tông nhựa hạt mịn, bê tông nhựa hạt trung, cấp phối đá dăm loại I và loại II.

Phần 3: Thiết kế tổ chức thi công

Chương 2 – Công tác chuẩn bị thi công

Bao gồm: chuẩn bị mặt bằng, khôi phục cọc, định vị phạm vi thi công, xây dựng lán trại, kho bãi, đường tạm, phát quang, cung cấp năng lượng và nước cho công trường.

Chương 3 – Thi công các công trình trên tuyến (cống)

Tính toán chi tiết hao phí vật liệu, máy móc, nhân công cho cống tròn BTCT: đào hố móng, vận chuyển và lắp đặt ống cống, móng và gia cố, phòng nước mối nối, đắp đất trên cống.

Chương 4 – Thiết kế thi công nền đường

Thiết kế điều phối đất, phân đoạn thi công, tính số ca máy, biên chế tổ thi công nền.

Chương 5 – Thiết kế thi công chi tiết mặt đường

Tính toán tốc độ dây chuyền dựa trên: thời hạn xây dựng cho phép, điều kiện thi công, khả năng đơn vị. Công nghệ thi công lần lượt cho các lớp: CPĐD loại II, CPĐD loại I, BTN hạt trung, BTN hạt mịn. Tính năng suất: máy lu, ô tô vận chuyển, máy san, xe tưới nhựa, máy rải.

Chương 6 – Tiến độ thi công chung

Tổ chức 5 đội thi công chuyên trách: Đội 1 (chuẩn bị), Đội 2 (xây dựng cống), Đội 3 (thi công nền đường), Đội 4 (xây dựng mặt đường), Đội 5 (hoàn thiện), kèm kế hoạch cung ứng nhiên vật liệu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính:

  • Xác định cấp hạng đường cấp III miền núi, Vtk = 60 km/h, bề rộng nền đường 9 m với đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật tuân thủ TCVN 4054-2005.
  • Đề xuất và thuyết minh lựa chọn phương án hướng tuyến tối ưu trong 3 phương án đề xuất.
  • Thiết kế kết cấu áo đường mềm cấp cao A1, 4 lớp (tổng chiều dày 59 cm), kiểm tra đạt cả 3 tiêu chuẩn cường độ: độ võng đàn hồi (Ech = 182,06 MPa), cắt trượt (Tax + Tav = 0,0052 MPa < 0,0256 MPa), kéo uốn các lớp BTN.
  • Giải pháp móng tối ưu về chi phí: CPĐD loại I (h3 = 16 cm) + CPĐD loại II (h4 = 33 cm), giá thành 8.659.081 đ/100 m².
  • Lập biểu đồ vận tốc xe chạy lý thuyết cho xe Zil150 theo 2 chiều đi và về trên toàn tuyến.
  • Thiết kế chi tiết hệ thống thoát nước: cống tại Km 0+429,42, rãnh biên, bố trí cống cấu tạo tối đa 500 m/cống.

Đóng góp so với nghiên cứu trước: Đồ án thực hiện đầy đủ 3 bước thiết kế liên hoàn — thiết kế cơ sở (toàn tuyến 6,193 km), thiết kế kỹ thuật (đoạn 1,499 km) và tổ chức thi công — với số liệu thực tế của địa bàn Lập Thạch – Vĩnh Phúc, có so sánh phương án kinh tế dựa trên đơn giá xây dựng cơ bản tỉnh Vĩnh Phúc năm 2012.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả tự nhận định đồ án còn hạn chế về trình độ chuyên môn và kinh nghiệm thực tế thi công, dẫn đến một số thiếu sót không thể tránh khỏi. Phạm vi thiết kế kỹ thuật chi tiết chỉ bao quát đoạn Km 0+00 đến Km 1+498,94 (khoảng 24% chiều dài toàn tuyến), phần còn lại từ Km 1+498,94 đến Km 6+193,11 chưa được thiết kế kỹ thuật đầy đủ. Ngoài ra, đồ án chưa có thiết kế chi tiết các công trình cầu (nếu có), thiết kế báo hiệu đường bộ, và chưa xây dựng hồ sơ đấu thầu xây lắp đầy đủ theo quy định hiện hành tại thời điểm thực hiện.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (cầu đường), đặc biệt những người đang thực hiện đồ án thiết kế tuyến đường cấp III miền núi, cần trình bày đầy đủ quy trình từ lập dự án đến tổ chức thi công.
  • Sinh viên các trường kỹ thuật cần mẫu tính toán cụ thể về: xác định cấp hạng đường theo TCVN 4054-2005, thiết kế áo đường mềm theo 22 TCN 211-06 (tính Eyc, kiểm tra độ võng đàn hồi bằng toán đồ Kôgan, kiểm tra cắt trượt, kéo uốn BTN).
  • Người làm đề tài về thiết kế thoát nước đường ôtô có thể tham khảo quy trình tính toán khẩu độ cống theo tần suất 4%, thiết kế rãnh biên hình thang, và tính toán chi tiết cống tại vị trí cụ thể.
  • Người nghiên cứu về tổ chức thi công đường có thể tham khảo cách tính tốc độ dây chuyền, năng suất máy móc (lu, máy san, máy rải, xe tưới nhựa) và sơ đồ phân công 5 đội thi công.

Các phần đáng tham khảo nhất là Chương 7 (Thiết kế áo đường mềm) với quy trình tính toán đầy đủ 3 tiêu chuẩn kiểm tra cường độ, và Phần 3 (Tổ chức thi công) với mức độ chi tiết về công nghệ thi công từng lớp kết cấu mặt đường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tuyến đường được phân cấp kỹ thuật cấp III miền núi, không phải cấp thấp hơn hoặc cao hơn? Căn cứ điều 3.2 của TCVN 4054-2005, phân cấp dựa trên chức năng (tuyến tỉnh lộ nối hai trung tâm kinh tế - chính trị - văn hóa địa phương) và lưu lượng xe thiết kế Ntk = 4.550 xcqđ/ngày đêm. Hai yếu tố này kết hợp với điều kiện địa hình miền núi xác định cấp III là phù hợp, cho phép tốc độ thiết kế 60 km/h và 2 làn xe.

2. Vì sao đồ án chọn phương án kết cấu móng CPĐD loại I (16 cm) + CPĐD loại II (33 cm) thay vì phương án dùng sỏi cuội? Kết quả so sánh giá thành theo đơn giá xây dựng cơ bản tỉnh Vĩnh Phúc năm 2012 cho thấy giải pháp h3 = 16 cm (CPĐD loại I) và h4 = 33 cm (CPĐD loại II) của phương án I có tổng giá thành 8.659.081 đ/100 m², thấp hơn giải pháp tương đương của phương án II (dùng sỏi cuội thay CPĐD loại II). Cả hai phương án đều thỏa mãn điều kiện độ võng đàn hồi Ech ≥ Kcd dv × Eyc = 181 MPa.

3. Điều kiện cắt trượt trong nền đất được kiểm tra như thế nào và kết quả ra sao? Ứng suất cắt hoạt động Tax = 0,012 × 0,6 = 0,0072 MPa; ứng suất do trọng lượng bản thân Tav = −0,002 MPa; tổng Tax + Tav = 0,0052 MPa. Lực dính tính toán Ctt = C × K1 × K2 × K3 = 0,032 × 0,6 × 0,8 × 1,5 = 0,023 MPa, hệ số cường độ Ktrcd = 0,9 (độ tin cậy 0,85). Điều kiện kiểm tra: 0,0052 MPa < Ctt/Ktrcd = 0,0256 MPa — kết cấu đạt yêu cầu chống cắt trượt.

4. Tại sao trong vùng thiết kế cần đặt nhiều cống và cống cấu tạo được bố trí với khoảng cách tối đa bao nhiêu? Địa hình đồi núi có nhiều khe tụ thủy với lưu vực rộng, lưu lượng tính toán có thể lên đến hàng chục m³/s; hai điểm đầu và cuối tuyến nằm bên bờ sông, lũ lớn có cường suất mực nước đến hơn 50 cm/giờ và biên độ dao động hơn 11 m (trạm Thủy Nông). Theo TCVN 4054-2005, đối với rãnh hình thang, tối đa 500 m phải bố trí một cống cấu tạo để thoát nước rãnh dọc.

5. Tiêu hao nhiên liệu được tính theo phương pháp nào và với các thông số đầu vào nào? Lượng tiêu hao nhiên liệu tính theo từng đoạn ngắn có cùng điều kiện kỹ thuật (độ dốc và tốc độ không đổi), dùng công thức Q₁₀₀ = qe × Nc / (γ × V). Thông số: tỷ suất tiêu hao nhiên liệu qc = 280 g/mã lực·giờ, tỷ trọng nhiên liệu γ = 0,89 T/m³, hệ số hiệu dụng η = 0,9, trọng lượng xe G = 10 T, diện tích cản khí F = 4 m², hệ số cản khí K = 0,05. Các đoạn xuống dốc có Q₁₀₀ < 0 được lấy Q₁₀₀ = 24 kg/100 km·xe để duy trì hoạt động động cơ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Văn Mạnh, Trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam (2013), trình bày đầy đủ quy trình thiết kế một tuyến đường cấp III miền núi tại huyện Lập Thạch, tỉnh Vĩnh Phúc qua ba bước liên hoàn: thiết kế cơ sở cho toàn tuyến 6,193 km, thiết kế kỹ thuật cho đoạn 1,499 km, và tổ chức thi công chi tiết áo đường. Kết cấu áo đường mềm cấp cao A1 được lựa chọn dựa trên so sánh kinh tế theo đơn giá địa phương và kiểm tra đạt cả ba tiêu chuẩn cường độ theo 22 TCN 211-06. Đồ án bám sát hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Bộ Giao thông Vận tải và thực hiện đúng thời hạn yêu cầu của Bộ môn Kỹ Thuật Công Trình.