Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Đề tài "Thiết kế mới tuyến đường qua hai điểm Q - N" được thực hiện trong đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, chuyên ngành Xây dựng Cầu đường tại Viện Xây dựng – Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh. Tác giả thực hiện là sinh viên Dương Quang Nhật (MSSV: 1751090331, Lớp CD17) dưới sự hướng dẫn chuyên môn của Th.S Phạm Phương Nam vào tháng 05 năm 2023.

Bối cảnh thực tiễn

Tuyến đường nghiên cứu và thiết kế đặt tại Ấp Hòa Hiệp, Xã Long Hòa, Huyện Cần Giờ, Thành phố Hồ Chí Minh. Cần Giờ là huyện duy nhất của Thành phố Hồ Chí Minh giáp biển, nằm ở phía đông nam và cách trung tâm thành phố khoảng 50 km đường bộ. Địa bàn huyện bị chia cắt bởi hệ thống sông rạch lớn (sông Thị Vải, sông Soài Rạp, sông Lòng Tàu, sông Đồng Tranh, sông Gò Gia) và kết nối đối ngoại phụ thuộc vào phà cùng trục đường bộ Rừng Sác. Dân số huyện tính đến ngày 31/12/2017 là 75.733 người với mật độ 108 người/km² trên tổng diện tích 704 km².

Tuyến đường thiết kế nối trực tiếp vào trục chính đường Rừng Sác nhằm kết nối giao thông vào trung tâm xã Long Hòa, đi qua khu dân cư Phước Lộc và hướng ra biển. Việc đầu tư xây dựng tuyến có ý nghĩa phục vụ nhu cầu đi lại, sinh hoạt của người dân, hỗ trợ công tác quản lý đất đai, phát triển lâm nghiệp và khai thác tiềm năng du lịch sinh thái biển của địa phương.

Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Xác định cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường dựa trên lưu lượng xe hiện tại và dự báo lưu lượng xe con quy đổi đến năm tương lai thứ 15.
  2. Tính toán và xác định toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật hình học của tuyến (bình đồ, trắc dọc, trắc ngang, tầm nhìn xe chạy, siêu cao, bán kính đường cong nằm và đứng).
  3. Thiết kế bình đồ tuyến trên bản đồ khảo sát tỷ lệ 1:1000 qua hai điểm khống chế Q và N.
  4. Lựa chọn cấu tạo và tính toán kiểm tra kết cấu áo đường mềm.
  5. Thiết kế chi tiết các công trình phụ trợ và hạ tầng kỹ thuật đô thị đi kèm: bó vỉa, vỉa hè, hệ thống thoát nước, hệ thống cây xanh, chiếu sáng đô thị, vạch kẻ đường và biển báo an toàn giao thông.
  6. Tính toán khối lượng đào đắp nền đường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình đường giao thông đô thị (đường phố gom/khu vực) được thiết kế mới.
  • Phạm vi không gian: Đoạn tuyến từ Km0+000 đến Km1+500 (khoảng cách đường chim bay giữa hai điểm khống chế khoảng 1843 m) thuộc xã Long Hòa, huyện Cần Giờ. Điểm bắt đầu tuyến (Q) có cao độ 2,455 m và điểm kết thúc (N) có cao độ 1,000 m.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu tính toán giao thông quy đổi cho giai đoạn khai thác 15 năm (năm thiết kế thứ 15).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật áp dụng

Toàn bộ quá trình tính toán, tra cứu và thiết kế trong đồ án tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng và giao thông hiện hành của Việt Nam:

  • TCVN 13592:2022: Đường đô thị – Yêu cầu thiết kế.
  • TCXDVN 104-2007: Đường đô thị – Yêu cầu thiết kế.
  • TCCS 38:2022/TCDBVN: Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế.
  • QCVN 07-4:2016/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình hạ tầng kỹ thuật – Công trình giao thông đô thị.
  • Quyết định số 4766/QĐ-UBND (15/09/2012): Phê duyệt đồ án điều chỉnh quy hoạch chung xây dựng huyện Cần Giờ đến năm 2020.

Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

  1. Phương pháp quy đổi và dự báo lưu lượng giao thông: Áp dụng hệ số quy đổi các loại xe về xe con tiêu chuẩn theo TCVN 13592:2022. Tính toán lưu lượng xe ngày đêm hiện tại ($N_1 = 2600$ xe/ngày đêm) và dự báo lưu lượng quy đổi ở năm thứ 15 ($N_{15} = 5596$ xcqđ/ngđ).
  2. Phương pháp động lực học đoàn xe: Kiểm tra độ dốc dọc lớn nhất của tuyến dựa trên hai điều kiện: điều kiện sức kéo động lực học ($i_{max} \le D_{max} - f$) và điều kiện sức bám của bánh xe với mặt đường ($i_{max}^{bám} \le \phi \cdot \frac{G_k}{G} - f - \frac{P_\omega}{G}$).
  3. Phương pháp thiết kế hình học giao thông:
    • Xác định tầm nhìn xe chạy theo 3 sơ đồ: tầm nhìn hãm xe một chiều ($S_1$), tầm nhìn tránh nhau hai chiều ($S_2$) và tầm nhìn vượt xe ($S_4$).
    • Tính toán bán kính đường cong nằm tối thiểu theo điều kiện lực đẩy ngang giới hạn ($\mu$).
    • Tính toán chuyển tiếp siêu cao, độ mở rộng phần xe chạy ($E$) trong đường cong và bán kính đường cong đứng (lồi và lõm) theo điều kiện tầm nhìn và gia tốc ly tâm cho phép.
  4. Phương pháp thiết kế kết cấu nền - áo đường: Thiết kế tổng thể nền - mặt đường theo TCCS 38:2022/TCDBVN, lựa chọn tầng mặt bê tông asphalt chịu mài mòn, chống thấm và tầng móng cấp phối đá dăm phân phối ứng suất thẳng đứng xuống nền đất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lời mở đầu

Chương này trình bày tổng quan về vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và hiện trạng mạng lưới giao thông của huyện Cần Giờ nói chung và khu vực xã Long Hòa nói riêng:

  • Địa hình - địa mạo: Tuyến chạy theo hướng Tây – Đông từ điểm Q có cao độ 2,455 m đến điểm N có cao độ 1,000 m.
  • Thủy văn: Hệ thống sông rạch chịu ảnh hưởng chế độ bán nhật triều không đều từ Biển Đông, nguồn nước mặt quanh năm bị nhiễm mặn và lợ do đóng vai trò kênh dẫn triều.
  • Khí hậu: Khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, chia làm 2 mùa mưa (tháng 5 – tháng 10) và mùa khô (tháng 11 – tháng 4 năm sau). Nhiệt độ trung bình từ 25°C đến 29°C (cao nhất 38,2°C, thấp nhất 14,4°C); độ ẩm trung bình 73% – 85%; lượng mưa trung bình năm đạt 1.402 mm.

Chương 2: Cấp hạng và các chỉ tiêu kỹ thuật của tuyến đường

Chương 2 tính toán toàn bộ các thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ thiết kế tuyến:

  • Cấp hạng tuyến: Tuyến được xác định là đường phố gom (đường phố khu vực), vận tốc thiết kế $V_{tk} = 50\text{ km/h}$, xây dựng tại đô thị loại II.
  • Quy mô mặt cắt ngang: Lưu lượng giờ cao điểm $N_{Giờ} = 2136,09\text{ xcqđ/h}$, tính toán số làn xe yêu cầu $n_{lx} = 2,09$ làn; kiến nghị thiết kế 4 làn xe ($4 \times 3,5\text{ m} = 14\text{ m}$), hè đường rộng 4 m mỗi bên, bề rộng nền đường $B = 22\text{ m}$.
  • Độ dốc dọc: Kiểm tra điều kiện sức kéo cho giá trị $i = 1,2%$, điều kiện sức bám cho $i_{max}^{bám} = 13,35%$; theo quy chuẩn chọn độ dốc dọc lớn nhất $i_{dmax} = 6%$ (độ dốc dọc thiết kế thực tế 1,6%) và độ dốc dọc nhỏ nhất $i_{dmin} = 0,3%$.
  • Tầm nhìn: Tầm nhìn một chiều $S_1 = 55\text{ m}$ (tính toán 45,71 m), tầm nhìn hai chiều $S_2 = 115\text{ m}$ (tính toán 91,43 m), tầm nhìn vượt xe chọn $300\text{ m}$, tầm nhìn ngang $l_n = 5,5\text{ m}$.
  • Đường cong nằm và siêu cao: Bán kính đường cong nằm tối thiểu có siêu cao $R_{min} = 90\text{ m}$ ($i_{sc} = 7%$), tối thiểu thông thường $R = 110\text{ m}$ ($i_{sc} = 4%$), không bố trí siêu cao $R = 1000\text{ m}$. Bán kính ban đêm $R_{bđ} = 825\text{ m}$ (chọn 1125 m). Đoạn nối siêu cao chọn $L_{nsc} = 40\text{ m}$ với độ dốc phụ $i_p = 0,75%$.
  • Đường cong đứng: Bán kính đường cong đứng lồi chọn $R_{lồi} = 2350\text{ m}$ (tối thiểu thông thường 1200 m); bán kính đường cong đứng lõm chọn $R_{lõm} = 1500\text{ m}$ (tối thiểu thông thường 1000 m, tối thiểu giới hạn 700 m).

Chương 3: Thiết kế bình đồ khảo sát tuyến

  • Thiết kế tuyến trên bình đồ tỷ lệ 1:1000 qua 2 điểm khống chế Q - N.
  • Cắm cọc chi tiết với khoảng cách 20 m/cọc trên cả đoạn thẳng và đoạn đường cong.
  • Xác định góc ngoặt $\alpha$, tính toán các thông số đường cong tròn gồm chiều dài tiếp tuyến ($T$), chiều dài đường cong tròn ($K$), phân cự ($P$), điểm tiếp đầu ($TĐ$) và tiếp cuối ($TC$).
  • Đưa ra quy trình xác định và cắm đường cong ngoài thực địa bằng máy kinh vĩ và thước thép.

Chương 4: Thiết kế kết cấu áo đường

  • Phân tích nguyên tắc thiết kế tổng thể nền - áo đường theo TCCS 38:2022/TCDBVN, quy đổi tải trọng trục xe tiêu chuẩn 100 kN ở năm thứ 15.
  • Cấu tạo áo đường mềm phân lớp:
    • Tầng mặt: Chọn bê tông nhựa (bê tông asphalt) có cường độ cao, liên kết tốt, chống thấm nước, chịu tác dụng mài mòn trực tiếp của bánh xe và ổn định nhiệt.
    • Tầng móng: Chọn vật liệu cấp phối đá dăm nhằm phân phối ứng suất bánh xe xuống đất nền. Đồ án lưu ý không sử dụng cát làm lớp móng dưới cùng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nhằm tránh hiện tượng tích tụ ẩm và suy giảm cường độ chịu tải.

Chương 5: Thiết kế bó nền, bó vỉa, vỉa hè

  • Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế hạ tầng đô thị cho vỉa hè và bó vỉa.
  • Bố trí vỉa hè đi bộ với chiều rộng 4 m mỗi bên nhằm phân tách không gian cho người đi bộ, lắp đặt cột điện, chiếu sáng và hạ tầng kỹ thuật ngầm.
  • Định hình quy cách và kích thước hình học của bó vỉa phân định giữa phần xe chạy và hè phố.

Chương 6: Thiết kế trắc dọc

  • Xác định các nguyên tắc vạch đường đỏ đảm bảo bám sát địa hình tự nhiên, đáp ứng độ dốc dọc tiêu chuẩn ($0,3% \le i_d \le 6%$).
  • Bố trí các đoạn dốc dọc và cắm đường cong đứng tại các vị trí đổi dốc có hiệu đại số độ dốc $\ge 2%$ (ứng với $V_{tk} = 50\text{ km/h}$).
  • Lập bảng thông số lý trình và cao độ cọc trên toàn tuyến.

Chương 7: Thiết kế trắc ngang

  • Xác định các thành phần trên mặt cắt ngang đô thị: 4 làn xe chạy ($B = 14\text{ m}$), độ dốc ngang mặt đường $i_{ng} = 2%$, dải lề và hè đường hai bên ($2 \times 4\text{ m}$).
  • Bố trí độ mở rộng xe chạy và chuyển tiếp độ dốc siêu cao từ 2 mái sang 1 mái trong các đoạn đường cong nằm.

Chương 8: Tính khối lượng đào đắp

  • Áp dụng phương pháp tính diện tích từng mặt cắt ngang và khoảng cách giữa các cọc để xác định khối lượng đào, khối lượng đắp nền đường.
  • Tổng hợp bảng khối lượng đào đắp toàn tuyến phục vụ dự toán và lập biện pháp thi công.

Chương 9: Thiết kế hệ thống cây xanh và mẫu bồn cây xanh

  • Xác định tiêu chuẩn và quy cách trồng cây xanh trên vỉa hè đường đô thị.
  • Thiết kế mẫu bồn gốc cây xanh đảm bảo an toàn cho người đi bộ, mỹ quan đường phố và thuận tiện cho việc thoát nước, chăm sóc cây.

Chương 10: Thiết kế hệ thống chiếu sáng

  • Xác định các chỉ tiêu độ chói, độ rọi trung bình, hệ số sử dụng đèn, hệ số dự trữ theo tiêu chuẩn chiếu sáng đường đô thị.
  • Tính toán lựa chọn khoảng cách cột đèn, chiều cao treo đèn, công suất và loại nguồn sáng, cấp bảo vệ chống thâm nhập (IP) của bộ đèn và kiểm tra chỉ số hạn chế chói lóa ($G$).

Chương 11: Thiết kế vạch kẻ đường

  • Bố trí hệ thống vạch sơn tín hiệu giao thông trên mặt đường (vạch phân chia làn xe, vạch tim đường, vạch mép phần xe chạy, vạch sang đường cho người đi bộ) theo quy chuẩn báo hiệu đường bộ.

Chương 12: Thiết kế biển báo

  • Bố trí hệ thống biển báo hiệu đường bộ (biển báo cấm, biển chỉ dẫn, biển cảnh báo nguy hiểm) trên toàn tuyến Km0+000 đến Km1+500 nhằm hướng dẫn và bảo đảm an toàn giao thông cho các phương tiện.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính của tuyến

STT Yếu tố kỹ thuật Đơn vị Giá trị tính toán Giá trị quy chuẩn/tiêu chuẩn Giá trị lựa chọn thiết kế
1 Cấp hạng đường - - Đường phố gom Đường phố gom (khu vực)
2 Vận tốc thiết kế ($V_{tk}$) km/h - 50 50
3 Lưu lượng xe con quy đổi ($N_{15}$) xcqđ/ngđ 5596 - 5596
4 Số làn xe làn 2,09 2 – 4 4
5 Bề rộng 1 làn xe ($b$) m 3,1 3,5 3,5
6 Bề rộng phần xe chạy ($B$) m 14 14 14 ($4 \times 3,5\text{ m}$)
7 Bề rộng hè đường mỗi bên m - 4 4
8 Bề rộng nền đường m 22 - 22
9 Độ dốc ngang mặt đường % - 2 2
10 Độ dốc dọc lớn nhất ($i_{dmax}$) % 1,2 (kéo) / 13,35 (bám) 6 6 (thực tế tuyến 1,6%)
11 Độ dốc dọc nhỏ nhất ($i_{dmin}$) % - 0,3 0,3
12 Tầm nhìn hãm xe một chiều ($S_1$) m 45,71 55 55
13 Tầm nhìn hai chiều ngược chiều ($S_2$) m 91,43 115 115
14 Bán kính cong nằm tối thiểu có siêu cao m 89,48 80 90 ($i_{sc} = 7%$)
15 Bán kính cong nằm tối thiểu thông thường m 103,61 100 110 ($i_{sc} = 4%$)
16 Bán kính cong nằm không siêu cao m 328,08 1000 1000
17 Bán kính đường cong đứng lồi m 1377,6 1200 2350
18 Bán kính đường cong đứng lõm m 624,83 1000 1500
19 Chiều dài đoạn nối siêu cao ($L_{nsc}$) m 37,33 12 40

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Thiết lập một hồ sơ thiết kế kỹ thuật cơ sở hoàn chỉnh cho tuyến đường mới tại khu vực đặc thù ven biển (huyện Cần Giờ), kết hợp đồng bộ giữa bình đồ, trắc dọc, trắc ngang và tổ chức giao thông đô thị.
  • Cập nhật và áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế mới nhất của ngành Giao thông Vận tải và Xây dựng (TCVN 13592:2022 và TCCS 38:2022/TCDBVN).
  • Đưa ra giải pháp lựa chọn vật liệu móng áo đường phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới và nền đất ngập mặn địa phương (sử dụng cấp phối đá dăm, loại trừ phương án dùng đệm cát gây ứ đọng nước).

Hạn chế và hướng hoàn thiện đồ án

  • Phạm vi khảo sát: Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế chi tiết trên đoạn tuyến chiều dài 1,5 km (Km0+000 đến Km1+500) trên nền bình đồ khảo sát tỷ lệ 1:1000 với 2 điểm khống chế định trước.
  • Dữ liệu địa chất - thủy văn: Số liệu địa chất công trình và thủy triều mặn tại khu vực cửa sông huyện Cần Giờ được tiếp cận qua tài liệu thứ cấp và giả định tính toán phục vụ đào tạo kỹ sư; khi triển khai dự án thực tế cần có số liệu khoan khảo sát địa chất công trình và quan trắc thủy văn chi tiết theo mùa.
  • Hướng hoàn thiện: Bổ sung phương án xử lý nền đất yếu đặc trưng của vùng rừng ngập mặn Cần Giờ, thiết kế chi tiết mạng lưới thoát nước mưa - nước thải tách riêng và tính toán dự toán kinh phí xây dựng chi tiết cho toàn bộ các hạng mục.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Xây dựng Cầu đường: Tham khảo khung cấu trúc, quy trình tính toán và phương pháp trình bày một đồ án tốt nghiệp kỹ sư thiết kế đường đô thị hoàn chỉnh theo tiêu chuẩn TCVN 13592:2022 và TCCS 38:2022/TCDBVN.
  • Kỹ sư thiết kế đường giao thông: Sử dụng làm biểu mẫu tra cứu các công thức tính toán thủy lực, trắc dọc, trắc ngang, siêu cao, bán kính đường cong và bố trí các công trình an toàn giao thông, chiếu sáng, cảnh quan vỉa hè đô thị.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến đường thiết kế thuộc cấp hạng nào và có vận tốc thiết kế là bao nhiêu?

Tuyến đường được thiết kế theo cấp hạng Đường phố gom (đường phố khu vực) thuộc đô thị loại II, với vận tốc thiết kế $V_{tk} = 50\text{ km/h}$.

2. Quy mô mặt cắt ngang của tuyến đường được thiết kế như thế nào?

Mặt cắt ngang tuyến có tổng bề rộng nền đường là $22\text{ m}$, bao gồm:

  • Phần xe chạy rộng $14\text{ m}$ (gồm 4 làn xe, mỗi làn rộng $3,5\text{ m}$).
  • Hè đường (vỉa hè) rộng $4\text{ m}$ ở mỗi bên ($2 \times 4\text{ m}$).
  • Độ dốc ngang mặt đường phần xe chạy là $2%$.

3. Lưu lượng giao thông tính toán quy đổi ở năm thứ 15 của tuyến là bao nhiêu?

Lưu lượng xe tại thời điểm hiện tại là $2600\text{ xe/ngày đêm}$, và lưu lượng xe con quy đổi tính toán ở năm thứ 15 đạt $N_{15} = 5596\text{ xcqđ/ngđ}$.

4. Bán kính đường cong nằm và đường cong đứng được lựa chọn là bao nhiêu?

  • Đường cong nằm: Chọn bán kính tối thiểu khi có siêu cao ($7%$) là $R = 90\text{ m}$; bán kính tối thiểu thông thường ($4%$) là $R = 110\text{ m}$; bán kính tối thiểu không bố trí siêu cao là $R = 1000\text{ m}$.
  • Đường cong đứng: Chọn bán kính đường cong đứng lồi $R_{lồi} = 2350\text{ m}$ và bán kính đường cong đứng lõm $R_{lõm} = 1500\text{ m}$.

5. Tại sao đồ án kiến nghị không sử dụng cát làm lớp móng dưới cùng cho kết cấu áo đường?

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam, cát có độ rỗng tạo điều kiện tích tụ ẩm, cường độ chịu tải thấp và gây khó khăn khi thi công lu lèn các lớp kết cấu bên trên; do đó đồ án lựa chọn vật liệu cấp phối đá dăm làm tầng móng để bảo đảm khả năng phân phối ứng suất chịu lực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư "Thiết kế mới tuyến đường qua hai điểm Q - N" của sinh viên Dương Quang Nhật đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật tuyến đường giao thông đô thị cấp đường phố gom ($V_{tk} = 50\text{ km/h}$) tại xã Long Hòa, huyện Cần Giờ, TP. Hồ Chí Minh. Thuyết minh đã giải quyết đầy đủ từ khâu xác định cấp hạng kỹ thuật, thiết kế hình học (bình đồ, trắc dọc, trắc ngang), tính toán kết cấu áo đường mềm đến thiết kế hạ tầng đồng bộ (thoát nước, chiếu sáng, cây xanh, biển báo, vạch sơn). Toàn bộ nội dung tính toán tuân thủ đúng các quy trình, quy phạm và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN 13592:2022 và TCCS 38:2022/TCDBVN.