Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Mạng lưới giao thông đường bộ giữ vai trò huyết mạch trong việc phát triển kinh tế - xã hội và củng cố an ninh quốc phòng. Tại tỉnh Đắk Lắk, tuyến đường liên huyện đi qua Buôn Drai, huyện Ea H’leo đã được xây dựng từ lâu, đến nay xuống cấp nghiêm trọng và không còn đáp ứng được nhu cầu vận tải ngày càng gia tăng. Nhằm hoàn thiện hạ tầng kỹ thuật và phục vụ chương trình đào tạo kỹ sư công trình tại Trường Đại học Lâm Nghiệp, đề tài đồ án tốt nghiệp được thực hiện nhằm lập dự án đầu tư và thiết kế kỹ thuật xây dựng tuyến đường mới thay thế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Phần thứ nhất: Lập dự án đầu tư xây dựng tuyến A-B thuộc huyện Ea H’leo, tỉnh Đắk Lắk từ lý trình Km0+00 đến Km7+135,69 (chiều dài toàn tuyến 7,136 km).
  2. Phần thứ hai: Thiết kế kỹ thuật đoạn tuyến dài 2 km từ lý trình Km5+00 đến Km7+135,69.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình tuyến đường bộ cấp III miền núi kết nối các trung tâm kinh tế của tỉnh Đắk Lắk.
  • Phạm vi không gian: Tuyến đi qua Buôn Drai thuộc huyện Ea H’leo, tỉnh Đắk Lắk, chạy bám men theo sườn sông Ea H’leo, địa hình đồi núi trung bình và thấp; độ chênh cao tự nhiên giữa điểm đầu A và điểm cuối B là 94,24 m.
  • Phạm vi thời gian và nguồn dữ liệu: Sử dụng bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 có đường đồng mức cách nhau 5 m; tài liệu khảo sát địa chất công trình lập tháng 5 năm 2009; số liệu khảo sát thủy văn lập tháng 5 năm 2004; số liệu thống kê phương tiện giao thông năm 2010 của Phòng Giao thông huyện Ea H’leo; chu kỳ tính toán dự báo giao thông tương lai là 15 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng: Đồ án tuân thủ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4054-2005 (Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế) do Bộ Giao thông Vận tải ban hành và các công thức động lực học đoàn xe từ giáo trình Thiết kế đường tập 1. Các mô hình và công thức tính toán gồm:

  • Mô hình xác định năng lực thông hành lý thuyết ($N_{lt}$), năng lực thông hành thực tế ($N_{tt}$) và số làn xe yêu cầu ($n_{LX}$) theo hệ số sử dụng phanh $K$, hệ số bám dọc $\varphi$ và lưu lượng xe thiết kế giờ cao điểm.
  • Công thức tính toán các cự ly tầm nhìn xe chạy: tầm nhìn dừng xe trước chướng ngại vật cố định ($S_1$), tầm nhìn thấy xe ngược chiều ($S_2, S_3$) và tầm nhìn vượt xe ($S_4$).
  • Điều kiện cân bằng sức kéo và sức bám của bánh xe với mặt đường để xác định độ dốc dọc lớn nhất cho phép ($i_{d\max}$).
  • Lý thuyết thiết kế hình học bình đồ, phối hợp đường cong tròn với đường cong chuyển tiếp dạng Clôtôit ($A \ge \sqrt{R \cdot L_{ct}}$) và đường cong đứng dạng tròn hoặc parabol.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp khảo sát địa chất công trình: Khoan 8 hố khoan, lấy 27 mẫu đất đá thí nghiệm cơ lý trong phòng; thực hiện thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường để xác định lực dính ($C$) và góc ma sát trong ($\varphi$) tại khu vực đất yếu.
  • Phương pháp thống kê và dự báo giao thông: Thống kê lưu lượng 7 chủng loại phương tiện năm 2010, quy đổi về xe con tiêu chuẩn và áp dụng mô hình tăng trưởng lũy kế với công bội tăng xe hàng năm $P = 7%$ trong thời gian 15 năm.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Vạch tuyến bằng compa với bước compa $l = 46\text{ mm}$ trên bản đồ địa hình 1:10.000, thiết kế trắc dọc theo phương pháp đi bao bám địa hình và tính toán khối lượng đào đắp theo phương pháp mặt cắt trung bình.

Nguồn dữ liệu: Đề cương khảo sát địa chất tháng 5/2009 của Công ty Tư vấn thiết kế Giao thông Vận tải, tài liệu khí tượng thủy văn tháng 5/2004 và số liệu giao thông năm 2010 của huyện Ea H’leo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tình hình và đặc điểm chung của khu vực xây dựng tuyến đường

Chương 1 phân tích tổng quan điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội khu vực tuyến đi qua Buôn Drai, huyện Ea H’leo, tỉnh Đắk Lắk. Dân cư gồm người Kinh sống tập trung ở giữa tuyến và các hộ đồng bào dân tộc thiểu số sống rải rác, sinh kế chủ yếu là trồng cà phê và chăn nuôi. Địa hình khu vực là đồi núi trung bình và thấp men theo sông Ea H’leo, có cắt qua khe tụ thủy, chênh cao giữa hai điểm A và B là 94,24 m. Khí hậu chia thành mùa mưa (tháng 5 đến tháng 10) và mùa khô (tháng 11 đến tháng 4), độ ẩm không khí trung bình năm đạt 82%, từng ghi nhận một trận lũ lịch sử vào năm 1980.

Khảo sát địa chất công trình xác định địa tầng toàn tuyến gồm 3 lớp chính:

  • Lớp 1: Đất lẫn hữu cơ, đất ruộng, chiều dày từ 0,5 m đến 1,5 m.
  • Lớp 2: Lớp á sét, chiều dày từ 2,5 m đến 5,0 m, phân bố ở tất cả các hố khoan.
  • Lớp 3: Lớp đá phong hóa, chiều dày trên 3,2 m, phân bố liên tục.

Riêng đoạn từ Km6+500 đến Km7+00 xuất hiện nền đất yếu gồm bùn cát pha ($C = 15 \div 20\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 9,3^\circ \div 12,15^\circ$) và bùn sét pha trầm tích đầm hồ lẫn 10 - 12% hữu cơ ($C = 20\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 5,25^\circ$), cần giải pháp xử lý khi đắp nền. Nguồn vật liệu địa phương dồi dào với đá xây dựng móng có cường độ $800 \div 1200\text{ kg/cm}^2$ và các mỏ cấp phối đồi làm nền có mô đun đàn hồi $E = 370 \div 600\text{ kg/cm}^2$.

Chương 2: Các yếu tố kỹ thuật của tuyến

Chương 2 tính toán xác định cấp hạng kỹ thuật và quy mô hình học mặt cắt ngang. Lưu lượng xe thực tế năm đầu (2010) là 800 xe/ngày đêm, tương đương 1772 xe con quy đổi/ngày đêm. Với tỷ lệ tăng trưởng $P = 7%$/năm, lưu lượng dự báo năm thứ 15 đạt 3633 xe con quy đổi/ngày đêm. Căn cứ TCVN 4054-2005, tuyến được chọn thuộc Cấp kỹ thuật 60, cấp quản lý là Cấp III miền núi, tốc độ thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$, kết cấu áo đường mềm mặt bê tông nhựa.

Năng lực thông hành lý thuyết đạt $N_{lt} = 960\text{ xe/h}$, thực tế đạt $N_{tt} = 384\text{ xe/h}$. Số làn xe yêu cầu theo tính toán là 0,712 làn, tiêu chuẩn quy định bố trí 2 làn xe. Chiều rộng nền đường là 9,0 m, mặt đường rộng 6,0 m ($2 \times 3,0\text{ m}$), lề đường mỗi bên rộng 1,5 m gồm lề gia cố 1,0 m và lề đất 0,5 m. Phương tiện xe thô sơ được bố trí lưu thông trên phần lề gia cố.

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính của tuyến:

Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Giá trị tính toán Quy chuẩn TCVN 4054-2005 Giá trị lựa chọn
Vận tốc thiết kế km/h 60 60 60
Số làn xe Làn 0,712 2 2
Chiều rộng mặt đường m 5,34 $2 \times 3,0$ 6,0 ($2 \times 3,0$)
Chiều rộng lề gia cố m - $2 \times 1,0$ $2 \times 1,0$
Chiều rộng nền đường m 8,34 9,0 9,0
Độ dốc dọc lớn nhất % 7,0 7,0 7,0
Độ dốc siêu cao lớn nhất % 6,8 7,0 7,0
Bán kính cong nằm tối thiểu ($R_{\min}$) m 129 125 130
Bán kính cong nằm không siêu cao m 472 1500 1500
Bán kính cong đứng lồi m 2343,8 4000 4000
Bán kính cong đứng lõm m 553,85 1500 1500
Tầm nhìn dừng xe ($S_1$) m 55,68 75 75
Tầm nhìn ngược chiều ($S_2, S_3$) m 113,5 - 117,4 150 150
Tầm nhìn vượt xe ($S_4$) m 135,38 350 350

Chương 3: Thiết kế tuyến trên bình đồ

Khẩu độ bước compa vạch tuyến trên bình đồ tỷ lệ 1:10.000 được xác định là $l = 46\text{ mm}$ (dựa trên chênh cao đường đồng mức $h = 5\text{ m}$, tỷ lệ bản đồ $1/M = 1/10.000$ và độ dốc dọc giới hạn có trừ hao $i_d = 0,011$). Tác giả thiết lập và so sánh 3 phương án vạch tuyến:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3
Chiều dài tuyến ($L$) 7135,69 m 7621,72 m 8011,62 m
Số lượng đường cong nằm 11 13 13
Bán kính cong nhỏ nhất ($R_{\min}$) 300 m 300 m 300 m
Hệ số triển tuyến ($K_{TT}$) 1,025 1,250 1,320
Độ dốc tự nhiên trung bình 2,3% 2,8% 3,02%
Số cống thoát nước 3 3 3
Khối lượng đào đất $34.270,82\text{ m}^3$ $46.348,65\text{ m}^3$ $58.230,72\text{ m}^3$
Khối lượng đắp đất $145.251,56\text{ m}^3$ $182.136,47\text{ m}^3$ $202.421,86\text{ m}^3$

Phương án 1 được lựa chọn do có chiều dài ngắn nhất, hệ số triển tuyến thấp nhất ($K_{TT} = 1,025$, chiều dài chim bay $L_{CB} = 6250,643\text{ m}$), chỉ có 11 góc chuyển hướng với bán kính trung bình $R_{tb} \approx 355\text{ m}$, bám men thềm núi và khối lượng đào đắp thấp hơn đáng kể so với hai phương án còn lại. Tác giả bố trí đường cong chuyển tiếp dạng Clôtôit có chiều dài $L_{cht} \ge 50\text{ m}$ tích hợp đoạn vuốt nối siêu cao ($i_{sc\max} = 7%$) và đoạn nối mở rộng phần xe chạy ($E = 0,6\text{ m}$).

Chương 4: Thiết kế trắc dọc, trắc ngang

Thiết kế đường đỏ trắc dọc áp dụng phương pháp đi bao thềm núi, tuyến chủ yếu ở trạng thái nền đắp nhằm duy trì chế độ thủy nhiệt thuận lợi và hạn chế phá vỡ cảnh quan sườn dốc. Cao độ đường đỏ được khống chế bảo đảm đáy nền đắp tại cống cao hơn đỉnh cống tối thiểu 0,5 m; rãnh dọc thoát nước hai bên có độ dốc tối thiểu 0,5%. Đường cong đứng được bố trí tại các vị trí đổi dốc trên 1% với bán kính lồi $R = 4000\text{ m}$ và bán kính lõm $R = 1500\text{ m}$ (điển hình cắm cong lồi tại cọc H3 Km0+300 với bán kính $R = 6000\text{ m}$).

Trên trắc ngang, các yếu tố hình học được xác định chi tiết theo từng cọc cho các dạng nền đào, nền đắp và nền nửa đào nửa đắp. Tổng hợp khối lượng công tác đất trên toàn chiều dài tuyến 7135,69 m gồm:

  • Tổng khối lượng đất đào: $34.270,82\text{ m}^3$.
  • Tổng khối lượng đất đắp: $182.136,47\text{ m}^3$.
  • Tổng khối lượng đào rãnh dọc: $559,60\text{ m}^3$.

Chương 5: Thiết kế nền đường, áo đường

Chương 5 phân tích tính chất đất đắp và giải pháp cấu tạo nền, áo đường:

  • Vật liệu đất nền: Đất á cát và á sét là vật liệu thích hợp nhất nhờ độ ổn định nước cao và dễ đầm nén. Đất cát rời thoát nước tốt nhưng cần bọc đất dính chống xói trôi; đất sét và đất bụi bị hạn chế sử dụng do dễ sụt nở, giảm cường độ khi ẩm ướt và khó đầm nén.
  • Cấu tạo taluy nền đắp: Nền đắp thấp dưới 1 m thiết kế taluy $1:1,5 \div 1:3$; nền đắp cao từ 1 m đến 6 m thiết kế taluy $1:1,5$. Khi sườn dốc tự nhiên từ 20% đến 50%, bắt buộc đánh cấp với bề rộng bậc tối thiểu 1,0 m (khi thi công cơ giới rộng từ 3 m đến 4 m). Khi sườn núi dốc trên 50%, áp dụng xếp đá chân taluy. Nền đắp cao từ 6 m đến 12 m phân tầng taluy ($1:1,75$ ở phần dưới, $1:1,5$ ở phần trên). Nền đắp ven sông ngập nước có taluy $1:2$.
  • Nền đào và nền nửa đào nửa đắp: Độ dốc taluy nền đào đá cứng là $1:0,2$, đá phong hóa $1:0,5 \div 1:1,5$, đất dẻo chặt $1:1,5$. Nền nửa đào nửa đắp tận dụng trực tiếp đất đào để đắp.
  • Kết cấu áo đường: Lựa chọn áo đường mềm mặt bê tông nhựa. Kết cấu thiết kế nhiều tầng lớp có cường độ giảm dần theo chiều sâu, tận dụng tối đa đá địa phương ($800 \div 1200\text{ kg/cm}^2$) và cấp phối đồi ($E = 370 \div 600\text{ kg/cm}^2$) làm lớp móng nhằm giảm giá thành, kết hợp phân kỳ xây dựng theo nhu cầu giao thông và hoàn thiện hệ thống thoát nước.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thành hồ sơ thiết kế tuyến đường Cấp III miền núi dài 7135,69 m với vận tốc thiết kế 60 km/h; chọn Phương án 1 tối ưu về hướng tuyến và cân đối khối lượng thi công (đào $34.270,82\text{ m}^3$, đắp $182.136,47\text{ m}^3$).
  • Xác định đầy đủ các yếu tố hình học bình đồ, trắc dọc, cắm cong chuyển tiếp Clôtôit và đường cong đứng theo quy chuẩn TCVN 4054-2005.
  • Thiết lập quy cách mặt cắt ngang 2 làn xe rộng 6,0 m, nền rộng 9,0 m và kết cấu áo đường mềm mặt bê tông nhựa.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

  • Áp dụng phương pháp đi bao trắc dọc giảm thiểu đào sâu đắp cao trên địa hình đồi núi phức tạp.
  • Đề xuất giải pháp cấu tạo taluy nền đắp thích ứng độ dốc sườn tự nhiên: đánh cấp bậc rộng $1,0 \div 4,0\text{ m}$ trên sườn dốc 20 - 50%, xếp đá chân taluy trên sườn dốc trên 50% và phân tầng taluy cho nền đắp cao 6 - 12 m.
  • Tận dụng đá và mỏ cấp phối đồi tại chỗ làm kết cấu móng đường; tái sử dụng đất đào để đắp trong nền nửa đào nửa đắp nhằm giảm chi phí vận chuyển.
  • Khảo sát và cảnh báo sự hiện diện của đoạn nền đất yếu Km6+500 ÷ Km7+00, kiến nghị giải pháp xử lý trước khi thi công nền đắp.

Đóng góp thực tiễn theo tác giả tự nêu:

  • Tuyến đường mới thay thế tuyến liên huyện cũ xuống cấp, đáp ứng nhu cầu giao thông dân sinh và vận chuyển nông sản (cà phê) của nhân dân huyện Ea H’leo.
  • Trở thành trục nối liên vùng giữa các trung tâm kinh tế tỉnh Đắk Lắk, rút ngắn thời gian đi lại và phục vụ công tác quốc phòng bảo vệ biên giới phía Tây Tổ quốc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Điều kiện thời tiết khu vực có mưa nhiều và nắng gắt theo mùa gây khó khăn cho thi công cơ giới, nhưng đồ án chưa lập tiến độ và biện pháp tổ chức thi công chi tiết theo mùa.
  • Đoạn tuyến Km6+500 ÷ Km7+00 xuất hiện bùn sét pha và bùn cát pha yếu, tuy nhiên phạm vi Phần 1 mới dừng ở khảo sát cơ lý và kiến nghị xử lý mà chưa tính toán thiết kế chi tiết biện pháp gia cố nền đất yếu.
  • Phần thiết kế kỹ thuật chi tiết chỉ thực hiện cho đoạn tuyến dài 2 km (Km5+00 ÷ Km7+135,69), chưa bao phủ toàn bộ 7,136 km của dự án đầu tư.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Tính toán thiết kế chi tiết biện pháp xử lý nền đất yếu đoạn Km6+500 ÷ Km7+00 bằng các giải pháp chuyên sâu (giếng cát, bấc thấm hoặc thay đất).
  • Lập biện pháp tổ chức thi công cơ giới thích ứng với chế độ khí hậu thủy văn mùa mưa tại Tây Nguyên.
  • Triển khai hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho đoạn tuyến còn lại từ Km0+00 đến Km5+00.

Giá trị tham khảo

Đối tượng tham khảo: Tài liệu hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông đường bộ khi thực hiện đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư thiết kế đường ô tô vùng đồi núi.

Nội dung đáng tham khảo:

  • Quy trình dự báo lưu lượng và xác định cấp hạng kỹ thuật đường miền núi theo TCVN 4054-2005.
  • Kỹ thuật vạch tuyến bằng compa trên bản đồ 1:10.000 và phương pháp luận so sánh lựa chọn phương án tuyến.
  • Thuật toán tính toán cự ly tầm nhìn, đoạn nối siêu cao, mở rộng trong đường cong Clôtôit và đường cong đứng.
  • Chi tiết giải pháp xử lý ổn định nền đường đắp trên sườn dốc tự nhiên phức tạp (đánh cấp, xếp đá chân taluy, phân tầng taluy).

Câu hỏi thường gặp

  • Tuyến đường A-B được phân cấp kỹ thuật như thế nào và dựa trên cơ sở nào? Tuyến đường thuộc Cấp kỹ thuật 60, tương ứng cấp quản lý Cấp III miền núi theo TCVN 4054-2005, vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$. Cơ sở lựa chọn là lưu lượng dự báo năm thứ 15 đạt 3633 xe con quy đổi/ngày đêm (thuộc dải 3000 - 6000 xe/ngày đêm), chức năng trục chính nối các trung tâm kinh tế của tỉnh Đắk Lắk và điều kiện địa hình đồi núi.

  • Đặc điểm địa chất đoạn Km6+500 đến Km7+00 có gì đặc biệt? Đoạn tuyến này có nền đất yếu gồm bùn sét pha trầm tích đầm hồ lẫn 10 - 12% hữu cơ ($C = 20\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 5,25^\circ$) và bùn cát pha ($C = 15 \div 20\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 9,3^\circ \div 12,15^\circ$), đòi hỏi phải xử lý nền trước khi tiến hành đắp đất.

  • Vì sao Phương án 1 được lựa chọn trong số 3 phương án bình đồ? Phương án 1 tối ưu nhờ chiều dài ngắn nhất (7135,69 m), hệ số triển tuyến thấp nhất ($K_{TT} = 1,025$), có 11 đường cong nằm với bán kính trung bình lớn ($R_{tb} \approx 355\text{ m}$), bám sát sườn núi phục vụ tốt các cụm dân cư Buôn Drai và có tổng khối lượng đào đắp thấp nhất.

  • Quy mô mặt cắt ngang tuyến đường Cấp III miền núi được thiết kế ra sao? Mặt cắt ngang gồm 2 làn xe với bề rộng mặt đường là 6,0 m ($2 \times 3,0\text{ m}$), lề đường mỗi bên rộng 1,5 m (lề gia cố 1,0 m cho xe thô sơ, lề đất 0,5 m), tổng bề rộng nền đường là 9,0 m. Độ dốc ngang mặt đường và lề gia cố là 2%, lề đất là 4%.

  • Tác giả đề xuất giải pháp xử lý taluy nền đắp trên sườn dốc tự nhiên như thế nào? Trên sườn núi dốc 20% đến 50%, áp dụng biện pháp đánh cấp với bề rộng bậc tối thiểu 1,0 m (khi thi công cơ giới rộng $3 \div 4\text{ m}$). Sườn dốc trên 50% áp dụng xếp đá chân taluy. Nền đắp cao từ 6 m đến 12 m phân tầng taluy: tầng dưới dốc 1:1,75 và tầng trên dốc 1:1,5.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ lập dự án đầu tư xây dựng tuyến đường A-B dài 7,136 km tại huyện Ea H’leo, tỉnh Đắk Lắk và thiết kế kỹ thuật đoạn tuyến dài 2 km theo tiêu chuẩn đường Cấp III miền núi (TCVN 4054-2005). Nghiên cứu xử lý khoa học dữ liệu tự nhiên, dự báo giao thông cho chu kỳ 15 năm và lựa chọn phương án tuyến tối ưu (Phương án 1) với hệ số triển tuyến thấp cùng khối lượng đào đắp tối thiểu. Hệ thống giải pháp kỹ thuật được đề xuất đồng bộ từ bình đồ, trắc dọc đi bao bám địa hình đến kết cấu áo đường mềm bê tông nhựa và các biện pháp cấu tạo taluy thích ứng sườn dốc, tận dụng hiệu quả nguồn vật liệu địa phương. Kết quả thiết kế đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật hiện hành, góp phần phục vụ nhu cầu giao thông dân sinh và củng cố an ninh quốc phòng tại khu vực Tây Nguyên.