Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đoạn tuyến đường nối Làng Bồng Lai (xã Hồng Hà, huyện Đan Phượng) đến xã Thọ Xuân (thị trấn Phùng, huyện Đan Phượng) thuộc tuyến Quốc lộ 32 – trục giao thông huyết mạch kết nối Thủ đô Hà Nội với các huyện phía Tây Bắc và các tỉnh miền Bắc. Đoạn Quốc lộ 32 cũ qua khu vực bộc lộ nhiều bất cập kỹ thuật: tuyến có nhiều đường cong đứng bán kính nhỏ gây hạn chế tầm nhìn, độ dốc dọc thực tế tương đối lớn ($i_d = 3,8%$), một số đoạn đào sâu nhưng chưa có giải pháp gia cố mái taluy dẫn đến nguy cơ sạt lở vào mùa mưa lũ.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án bao gồm:

  1. Lập Thiết kế cơ sở cho toàn tuyến: khảo sát điều kiện tự nhiên - xã hội, xác định cấp hạng kỹ thuật, so sánh vạch tuyến trên bình đồ, thiết kế trắc dọc, trắc ngang, tính toán kết cấu áo đường mềm, quy hoạch hệ thống thoát nước và phân tích chỉ tiêu khai thác kinh tế - kỹ thuật.
  2. Lập Thiết kế kỹ thuật và Thiết kế tổ chức thi công: cắm cong chi tiết theo tọa độ VN-2000, tính toán khối lượng đào đắp, lập dự toán chi tiết, và lập biện pháp tổ chức thi công tổng thể - chi tiết cho đoạn tuyến mẫu dài $1,0\text{ km}$ nền - mặt đường cùng các công trình cống thoát nước trong thời hạn khống chế 150 ngày.

Phạm vi không gian nghiên cứu nằm tại vùng giáp giới giữa huyện Đan Phượng và huyện Phúc Thọ (Hà Nội), với điểm đầu tại Làng Bồng Lai (cao độ $46,88\text{ m}$) và điểm cuối trước xã Thọ Xuân / thị trấn Phùng (cao độ $93,57\text{ m}$ - $93,72\text{ m}$). Phạm vi thời gian tính toán xác định lưu lượng xe thiết kế ở năm 2018 ($N = 600\text{ xe hỗn hợp/ngày đêm}$), năm đưa vào khai thác 2022 và năm tương lai thứ 15 (năm 2037).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình giao thông đường bộ hiện hành của Việt Nam:

  • Tiêu chuẩn thiết kế hình học đường ô tô: TCVN 4054-2005 (Đường ô tô – Yêu cầu thiết kế).
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm: 22 TCN 211-06 (Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế).
  • Tiêu chuẩn vật liệu và thi công: 22 TCN 249-98 (Bê tông nhựa), 22 TCN 334-06 (Cấp phối đá dăm), 22 TCN 246-98 (Gia cố đất/cát bằng chất liên kết vô cơ).
  • Phương pháp tính toán:
    • Động lực học đoàn xe: xác định độ dốc dọc lớn nhất theo điều kiện cân bằng sức kéo và sức bám đối với dòng xe đặc trưng (xe ZIL-130, MAZ-500, GAZ-51, Moskvich 2141).
    • Cơ học kết cấu nhiều lớp: quy đổi hệ nhiều lớp về hệ hai lớp tương đương để tính toán mô đun đàn hồi chung ($E_{ch}$) theo toán đồ Kogan; kiểm tra ứng suất trượt nền đất ($\tau_{av} + \tau_{ax} \le C_{tt} / K_{cd}^{tr}$) và ứng suất kéo uốn đáy lớp vật liệu toàn khối ($\sigma_{ku} \le R_{ku}^{tt} / K_{cd}^{ku}$).
    • Trắc địa và hình học tuyến: xác định bước compa vạch tuyến $l = (h / i_{d\max}) \times (1 / M)$, phương pháp cắm cong tọa độ vuông góc trong hệ tọa độ quốc gia VN-2000.
    • Phân phối khối lượng đào đắp: phương pháp tính thể tích hình lăng trụ qua diện tích mặt cắt ngang cọc địa hình và đường cong tích lũy đất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung và điều kiện khu vực tuyến

Chương 1 tổng hợp điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và khả năng cung ứng vật tư thi công. Địa hình khu vực chân núi có cao độ tự nhiên từ $25\text{ m}$ đến $55\text{ m}$, sườn dốc phân chia thành các đoạn khảo sát $500\text{ m}$. Cấu trúc địa chất gồm 3 lớp: Lớp 1 là đất đồi màu đỏ lẫn cuội sỏi dày $5 - 7\text{ m}$ (tận dụng làm đất đắp nền); Lớp 2 là á sét lẫn sỏi sạn dày $2 - 4\text{ m}$; Lớp 3 là đá phong hóa. Địa chất thủy văn ổn định, nước ngầm sâu, nguồn nước mặt có $\text{pH} = 7$. Số liệu khí tượng thủy văn tính theo trạm đo mưa lân cận với tần suất thiết kế $p = 4%$. Nguồn cung cấp vật liệu gồm mỏ cát Thạnh Mỹ (cách $5\text{ km}$), trạm cấp phối đá dăm xí nghiệp 27-7 tại Km40 Quốc lộ 32 (cách $18\text{ km}$), trạm bê tông nhựa nóng Hà Nội (cách $20\text{ km}$) và xưởng đúc cấu kiện bê tông huyện Đan Phượng (cách $4\text{ km}$).

Thành phần dòng xe khảo sát:
- Xe tải trung (ZIL-130): 51% (Trục: 25,8 - 69,6 kN)
- Xe tải nặng (MAZ-500): 14% (Trục: 48,2 - 100,0 kN)
- Xe con (Moskvich 2141): 13% (Trục: 4,2 - 7,8 kN)
- Xe tải nhẹ (GAZ-51): 12% (Trục: 18,0 - 56,0 kN)
- Xe buýt nhỏ (<24 chỗ): 10% (Trục: 18,0 - 56,0 kN)

Chương 2: Xác định cấp hạng và tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật

Với lưu lượng xe năm 2018 là $N = 600\text{ xhh/ngđ}$, tốc độ tăng trưởng $q = 10%/\text{năm}$, lưu lượng quy đổi năm thứ 15 đạt $N_{15} = 3.334\text{ xcqđ/ngđ} > 3.000\text{ xcqđ/ngđ}$. Tuyến được xác định đạt cấp III đồng bằng theo TCVN 4054-2005, tốc độ thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$.

Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn chọn
Tốc độ thiết kế ($V_{tk}$) $60\text{ km/h}$
Độ dốc dọc lớn nhất ($i_{d\max}$) $2,6%$ (tính theo sức kéo ZIL-130)
Tầm nhìn 1 chiều ($S_I$) / 2 chiều ($S_{II}$) / Vượt xe ($S_{IV}$) $75\text{ m}$ / $150\text{ m}$ / $360\text{ m}$
Bán kính đường cong nằm tối thiểu có siêu cao ($R_{sc\min}$) $250\text{ m}$ (giới hạn $125\text{ m}$)
Bán kính đường cong nằm không làm siêu cao ($R_{osc\min}$) $1.500\text{ m}$
Bán kính đường cong đứng lồi ($R_{l\hat{o}i\min}$) / đứng lõm ($R_{l\tilde{o}m\min}$) $4.000\text{ m}$ / $1.500\text{ m}$
Chiều rộng nền đường ($B_n$) $10,0\text{ m}$
Chiều rộng mặt đường ($B_m$) $7,0\text{ m}$ ($2 \text{ làn} \times 3,5\text{ m}$)
Chiều rộng lề đường ($B_{l\grave{e}}$) $2 \times 1,5\text{ m}$ (lề gia cố $2 \times 1,0\text{ m}$; lề đất $2 \times 0,5\text{ m}$)
Độ dốc ngang mặt đường / lề đất $2,0%$ / $6,0%$

Chương 3: Thiết kế bình đồ tuyến

Dựa trên tỷ lệ bình đồ thiết kế cơ sở $1/20.000$ (chênh cao đường đồng mức $h = 10\text{ m}$), bước compa vạch tuyến dốc đều được xác định là $l = 20,24\text{ mm}$. Tác giả thiết lập 4 phương án tuyến ban đầu qua các điểm khống chế A và B, sau đó so sánh sơ bộ:

  • Cặp Phương án 1 và 3: Phương án 3 tuy có chiều dài ngắn hơn nhưng không thỏa mãn bước compa ở nhiều đoạn, cắt qua đường tụ thủy chính 2 lần làm tăng khẩu độ cống và có nguy cơ sạt lở cao. Phương án 1 được chọn.
  • Cặp Phương án 2 và 4: Phương án 4 có số công trình cống nhiều hơn (13 cống so với 12 cống của Phương án 2), cắt đường tụ thủy chính 3 lần. Phương án 2 được chọn. Kết luận: Phương án 1 và Phương án 2 được đưa vào thiết kế cơ sở chi tiết.

Chương 4: Thiết kế trắc dọc tuyến

Trắc dọc được thiết kế bám sát địa hình tự nhiên, khống chế cao độ tại điểm đầu A ($46,88\text{ m}$) và điểm cuối B ($93,57\text{ m}$ - $93,72\text{ m}$). Cao độ đường đỏ tại các vị trí cống đảm bảo chiều dày áo đường $60\text{ cm}$ và lớp đất đắp tối thiểu trên đỉnh cống:

  • Trắc dọc Phương án 1: Toàn tuyến đi lên dốc với các đoạn đổi dốc lần lượt gồm $+1,5%$ ($553,77\text{ m}$), $+1,2%$ ($370,64\text{ m}$), $+0,3%$ ($489,40\text{ m}$), $+2,6%$ ($686,22\text{ m}$), $-3,0%$ ($360,70\text{ m}$), $+2,6%$ ($532,54\text{ m}$) và $+0,7%$ ($287,46\text{ m}$).
  • Trắc dọc Phương án 2: Bố trí các đoạn dốc $+2,0%$, $-0,5%$, $+2,3%$, $+0,2%$, $+2,4%$, $-0,7%$, $+2,6%$, $-0,5%$ và $+2,4%$.

Chương 5: Thiết kế trắc ngang và nền đường

Quy cách trắc ngang chuẩn gồm nền đường $10,0\text{ m}$, taluy nền đắp $1:1,5$, taluy nền đào $1:1$, rãnh dọc biên hình thang đáy $0,4\text{ m}$, sâu $0,4\text{ m}$. Khối lượng đào đắp tính toán cho 2 phương án:

  • Phương án 1: Khối lượng đào $V_{\text{đào}} = 17.747,10\text{ m}^3$; Khối lượng đắp $V_{\text{đắp}} = 48.000\text{ m}^3$ (số liệu chi tiết phụ lục 1.1).
  • Phương án 2: Khối lượng đào $V_{\text{đào}} = 16.521,61\text{ m}^3$; Khối lượng đắp $V_{\text{đắp}} = 50.000\text{ m}^3$.

Chương 6: Thiết kế kết cấu áo đường

Tính toán theo 22 TCN 211-06 với tải trọng trục tiêu chuẩn $100\text{ kN}$ ($p = 0,6\text{ MPa}$, $D = 33\text{ cm}$). Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy 15 năm trên một làn xe đạt $N_e = 2,23 \times 10^6\text{ trục/làn}$. Mô đun đàn hồi yêu cầu đạt $E_{yc} = 203,50\text{ MPa}$ (với hệ số độ tin cậy $K_{cd}^{dv} = 1,1$). Tuyến được xác định đầu tư một lần bằng kết cấu cấp cao A1.

Tác giả đề xuất 6 phương án kết cấu:

  • Nhóm PA1 (móng cấp phối đá dăm): 1a, 1b, 1c.
  • Nhóm PA2 (móng gia cố xi măng): 2a, 2b, 2c.
Phương án Chi tiết các lớp kết cấu áo đường $E_{ch}$ tính toán Điều kiện võng ($E_{ch} \ge 1,1185 E_{yc}$)
Phương án 1a (Chọn) - BTN chặt loại I $D_{\max}20$, đá dăm $>50%$ ($5\text{ cm}$)
- BTN chặt loại I $D_{\max}25$, đá dăm $>35%$ ($7\text{ cm}$)
- Móng trên CPĐD loại I $D_{\max}25$ ($15\text{ cm}$)
- Móng dưới CPĐD loại II $D_{\max}37,5$ ($31\text{ cm}$)		 $206,55\text{ MPa}$ Đạt ($> 203,50\text{ MPa}$)
Phương án 1b Tầng mặt BTN + Móng CPĐD biến thiên chiều dày $207,13\text{ MPa}$ Đạt
Phương án 1c Tầng mặt BTN + Móng CPĐD biến thiên chiều dày $204,40\text{ MPa}$ Đạt
Phương án 2a Tầng mặt BTN + Móng cát GCXM 6% $203,90\text{ MPa}$ Đạt
Phương án 2b Tầng mặt BTN + Móng cát GCXM 6% $204,39\text{ MPa}$ Đạt
Phương án 2c Tầng mặt BTN + Móng trên CPĐD loại I ($15\text{ cm}$) + Móng dưới cát GCXM 8% ($20\text{ cm}$) $206,93\text{ MPa}$ Đạt

Hai phương án đại diện 1a và 2c được kiểm tra khả năng chịu trượt nền đất ($\tau_{av} + \tau_{ax} \le 0,0245\text{ MPa}$) và chịu kéo uốn đáy lớp liền khối ($\sigma_{ku} \le R_{ku}^{tt} / 0,94$). Kết quả kiểm tra đều thỏa mãn. Phương án 1a được lựa chọn chính thức do chi phí xây dựng thấp hơn Phương án 2c và công nghệ thi công CPĐD đơn giản, phù hợp năng lực thi công tại địa phương.

Chương 7: Thiết kế quy hoạch thoát nước

Hệ thống rãnh biên bố trí dọc hai bên nền đào và chân mái đường đắp thấp, tiết diện hình thang đáy $0,4\text{ m}$, sâu $0,4\text{ m}$. Đối với các đoạn đào có chiều dài rãnh thoát nước lớn hơn $500\text{ m}$, rãnh được mở rộng đáy lên $0,6\text{ m}$ để tăng lưu lượng thoát nước và chống xói lở. Bố trí khẩu độ và vị trí cống tròn, cống bản vượt dòng tụ thủy trên toàn tuyến theo tần suất thiết kế thủy văn $p = 4%$.

Chương 8 & 9: Tính toán chỉ tiêu vận doanh khai thác và so sánh lựa chọn phương án tối ưu

Đồ án thiết lập biểu đồ xe chạy lý thuyết, tính toán vận tốc cân bằng, vận tốc hạn chế tại các đường cong nằm/đứng, thời gian chạy xe và mức tiêu hao nhiên liệu trung bình. Đánh giá độ an toàn xe chạy thông qua hệ số an toàn và hệ số tai nạn tổng hợp $K_{tn} = \prod_{i=1}^{15} K_i$, trong đó xét chi tiết 15 hệ số thành phần ($K_1$ lưu lượng xe, $K_2$ bề rộng mặt đường, $K_3$ lề đường, $K_4$ dốc dọc, $K_5$ bán kính cong, $K_6$ tầm nhìn, $K_7$ cầu cống, $K_8$ đoạn thẳng dài, $K_9 - K_{11}$ nút giao nhánh, $K_{12}$ số làn, $K_{13} - K_{15}$ khoảng cách nhà cửa, hệ số bám mặt đường và khoảng cách khu dân cư). Kết hợp tổng chi phí xây dựng và chi phí khai thác quy đổi về năm gốc, tác giả luận chứng chọn Phương án 1 là phương án tuyến tối ưu.

Phần Thiết kế kỹ thuật và Tổ chức thi công (Đoạn 1,0 km)

Triển khai thiết kế kỹ thuật đoạn tuyến $1,0\text{ km}$ ($\text{Km}0+650$ đến $\text{Km}1+650$):

  • Cắm cong chi tiết đường cong chuyển tiếp (ĐCCT) và đường cong cơ bản (ĐCCB) theo tọa độ vuông góc VN-2000.
  • Lập biện pháp tổ chức thi công công tác chuẩn bị: khôi phục tim cọc, dời cọc dấu, dọn mặt bằng, làm đường tạm, lán trại và lên khuôn đường.
  • Tổ chức thi công cống: đào móng thủ công, đổ bê tông đệm, lắp đặt ống cống $1\text{\O}150$, thi công tường đầu, tường cánh, mối nối chống thấm và đắp đất thân cống.
  • Tổ chức thi công nền đường: phân đoạn thi công đào đắp, điều phối đất bằng biểu đồ tích lũy đất; sử dụng dây chuyền máy thi công gồm máy ủi D41P-6C, máy san GD31RC-3A, ô tô tự đổ Hyundai HD270 tải trọng 15T, lu nhẹ bánh cứng C330B, lu bánh lốp BW24RH, lu nặng bánh cứng C350D và lu tay BPR45/55D.
  • Tổ chức thi công mặt đường BTN: xác định định mức công ca máy và nhân lực rải cấp phối, tưới nhựa dính bám và thảm 2 lớp bê tông nhựa chặt.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả thiết kế kỹ thuật: Đồ án hoàn thiện hồ sơ thiết kế cơ sở và thiết kế kỹ thuật tuyến đường cấp III đồng bằng dài nối Làng Bồng Lai đến Thọ Xuân, đảm bảo $V_{tk} = 60\text{ km/h}$, $i_{d\max} = 2,6%$, bề rộng nền $10,0\text{ m}$, mặt $7,0\text{ m}$.
  • Giải pháp kết cấu tối ưu: Lựa chọn kết cấu áo đường mềm Phương án 1a với tầng mặt gồm $5\text{ cm}$ BTN chặt $D_{\max}20$ và $7\text{ cm}$ BTN chặt $D_{\max}25$, tầng móng gồm $15\text{ cm}$ CPĐD loại I và $31\text{ cm}$ CPĐD loại II. Kết cấu đạt mô đun đàn hồi $E_{ch} = 206,55\text{ MPa} > E_{yc} = 203,50\text{ MPa}$, thỏa mãn điều kiện chống trượt nền đất và chịu kéo uốn đáy lớp BTN.
  • Biện pháp tổ chức thi công: Xây dựng tiến độ và định mức dây chuyền máy móc thi công hoàn chỉnh cho $1,0\text{ km}$ đường trong thời gian khống chế 150 ngày, tối ưu hóa cự ly vận chuyển đất và vật liệu từ các mỏ lân cận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Khối lượng tính toán chi tiết của phần thiết kế kỹ thuật và tổ chức thi công mới chỉ thực hiện chuyên sâu cho đoạn tuyến đại diện dài $1,0\text{ km}$ ($\text{Km}0+650 - \text{Km}1+650$) thay vì toàn bộ chiều dài tuyến.
  • Việc tính toán thủy văn lưu vực cống dựa trên trạm đo mưa lân cận (Nông Sơn, tần suất $p=4%$), cần cập nhật thêm số liệu quan trắc khí tượng thủy văn mới nhất tại huyện Đan Phượng và Hoài Đức khi triển khai dự án thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Cầu đường trong việc:

  • Nắm bắt quy trình lập đồ án tốt nghiệp thiết kế đường ô tô từ bước thiết kế cơ sở đến thiết kế kỹ thuật và tổ chức thi công.
  • Tham khảo phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm theo 22 TCN 211-06 (toán đồ Kogan, kiểm tra trượt và kéo uốn).
  • Tham khảo cách phân tích biểu đồ xe chạy lý thuyết, hệ số an toàn giao thông và định mức phối hợp dây chuyền máy đắp nền - lu lèn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến đường được thiết kế theo cấp hạng kỹ thuật nào và tốc độ tính toán là bao nhiêu?
Tuyến được thiết kế theo tiêu chuẩn cấp III đồng bằng (TCVN 4054-2005) với tốc độ thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$, phục vụ lưu lượng quy đổi năm tương lai thứ 15 đạt $3.334\text{ xcqđ/ngđ}$.

2. Độ dốc dọc lớn nhất của tuyến được xác định dựa trên cơ sở nào?
Độ dốc dọc lớn nhất được chọn là $i_{d\max} = 2,6%$, xác định từ điều kiện cân bằng sức kéo của loại xe ZIL-130 (chiếm tỷ trọng $51%$ trong dòng xe thiết kế) nhằm đảm bảo mọi phương tiện đều duy trì được tốc độ $60\text{ km/h}$.

3. Kết cấu áo đường chính thức được lựa chọn có cấu tạo như thế nào?
Kết cấu áo đường được chọn là Phương án 1a (kết cấu cấp cao A1 đầu tư một lần), gồm 4 lớp: Lớp mặt trên BTN chặt loại I $D_{\max}20$ dày $5\text{ cm}$; Lớp mặt dưới BTN chặt loại I $D_{\max}25$ dày $7\text{ cm}$; Lớp móng trên CPĐD loại I $D_{\max}25$ dày $15\text{ cm}$; Lớp móng dưới CPĐD loại II $D_{\max}37,5$ dày $31\text{ cm}$.

4. Vì sao Phương án 1a được chọn thay vì Phương án 2c (sử dụng móng cát gia cố xi măng)?
Cả hai phương án đều đạt yêu cầu về độ võng đàn hồi ($E_{ch} \approx 206,5\text{ - }206,9\text{ MPa}$), chống trượt và kéo uốn. Phương án 1a được chọn vì có chi phí xây dựng rẻ hơn Phương án 2c và sử dụng công nghệ thi công cấp phối đá dăm thông thường, tận dụng nguồn vật liệu đá dăm sẵn có tại trạm Km40 Quốc lộ 32.

5. Các loại máy móc chủ đạo nào được biên chế cho dây chuyền thi công $1,0\text{ km}$ nền đường?
Dây chuyền thi công nền đường sử dụng máy ủi D41P-6C, máy san GD31RC-3A, ô tô tự đổ Hyundai HD270 ($15\text{ tấn}$), kết hợp tổ hợp lu lèn gồm lu nhẹ bánh cứng C330B, lu bánh lốp BW24RH, lu nặng bánh cứng C350D và lu tay BPR45/55D cho vị trí mép taluy/rãnh.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế đường Làng Bồng Lai - Thọ Xuân (Đan Phượng)" đã giải quyết đầy đủ các nội dung chuyên môn về thiết kế tuyến đường cấp III đồng bằng nối Quốc lộ 32. Các giải pháp bình đồ, trắc dọc, trắc ngang và kết cấu áo đường mềm được tính toán chặt chẽ theo các quy trình, tiêu chuẩn TCVN 4054-2005 và 22 TCN 211-06. Đồ án cung cấp bộ hồ sơ kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu luận chứng phương án cơ sở đến lập biện pháp tổ chức thi công chi tiết $1,0\text{ km}$ nền - mặt đường.