Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Giao thông vận tải giữ vai trò huyết mạch trong việc kết nối các trung tâm kinh tế với các vùng nông thôn, miền núi, thúc đẩy giao thương hàng hóa và rút ngắn khoảng cách phát triển giữa các vùng miền. Tại các địa bàn vùng sâu, vùng xa, hệ thống đường bộ còn thô sơ, chủ yếu là đường mòn hoặc đường đất, việc đầu tư xây dựng tuyến đường mới là điều kiện tiên quyết để thúc đẩy sản xuất nông lâm nghiệp, nâng cao đời sống dân sinh và củng cố an ninh quốc phòng.

Đề tài "Thiết Kế Tuyến Đường Mới Qua 2 Điểm N - D" là đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Công trình Giao thông, chuyên ngành Xây dựng Cầu đường do sinh viên Thạch Thị Ngọc Duyên (lớp CD12D, MSSV: 1251090386) thực hiện tại Khoa Công trình Giao thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Long (hoàn thành tháng 08/2017).

Nghiên cứu tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Thu thập, phân tích điều kiện tự nhiên (địa hình, địa mạo, địa chất, thủy văn, khí hậu) và bối cảnh kinh tế - xã hội của khu vực xây dựng tuyến đường nối hai điểm N và D.
  2. Dự báo và tính toán quy đổi lưu lượng giao thông cho năm tương lai ($N_{15} = 1.345$ xe/ngày đêm) về lưu lượng xe con tiêu chuẩn theo thành phần dòng xe.
  3. Xác định cấp hạng kỹ thuật của tuyến đường (đường cấp IV miền núi, vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60$ km/h).
  4. Thiết kế bình đồ, trắc dọc, trắc ngang cho 2 phương án tuyến trên bản đồ tỉ lệ 1:10.000.
  5. Thiết kế kết cấu áo đường mềm và hệ thống công trình thoát nước (cầu nhỏ, cống, rãnh thoát nước).
  6. Tính toán khối lượng thi công đào đắp đất, so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để lựa chọn phương án tuyến tối ưu.
  7. Triển khai bước thiết kế kỹ thuật chi tiết và lập biện pháp tổ chức thi công hoàn chỉnh cho đoạn tuyến mẫu từ Km0+900 đến Km1+900.

Phạm vi nghiên cứu không gian là dải địa hình đồi núi nối giữa hai điểm khống chế N (cao độ 115 m) và D (cao độ 145 m), chênh cao tổng thể 30 m. Đoạn thiết kế kỹ thuật chi tiết có chiều dài 1,0 km (Km0+900 – Km1+900). Thời gian tính toán dự báo lưu lượng phục vụ thiết kế công trình là giai đoạn 15 năm khai thác.

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế

Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quy trình ngành giao thông vận tải hiện hành:

  • TCVN 4054:2005: Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô.
  • 22 TCN 211-06 (TCN211-06): Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm.
  • TCVN 8819:2011: Mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu.
  • TCVN 8859:2011: Lớp móng cấp phối đá dăm trong kết cấu áo đường ô tô - Vật liệu, thi công và nghiệm thu.

Các phương pháp tính toán và xử lý số liệu bao gồm:

  • Phương pháp quy đổi phương tiện giao thông: Sử dụng hệ số quy đổi phương tiện tương ứng với địa hình đồng bằng và đồi núi nhằm xác định tổng lưu lượng xe con tiêu chuẩn quy đổi trên một làn xe ($N_{tk}$).
  • Phương pháp tính toán thủy văn - thủy lực lưu vực nhỏ: Xác định diện tích lưu vực ($F$), độ dốc bình quân sườn dốc ($J_s$), độ dốc lòng suối ($J_1$), thời gian tập trung nước sườn dốc ($\tau_s$), hệ số địa mạo thủy văn ($\Phi_l$) và lưu lượng nước lũ tính toán để chọn khẩu độ cống và cầu nhỏ.
  • Phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm: Tính toán số trục xe tính toán tiêu chuẩn tích lũy trên một làn xe ($N_{tt}$) và xác định mô đun đàn hồi yêu cầu ($E_{yc}$) theo lý thuyết hệ đàn hồi nhiều lớp.
  • Phương pháp điều phối đất và tổ chức thi công: Ứng dụng đường cong tích lũy khối lượng để điều phối đất dọc - ngang; tổ chức thi công theo phương pháp dây chuyền chuyên môn hóa kết hợp phân đoạn.

Nguồn số liệu đầu vào gồm bình đồ địa hình tỉ lệ 1:10.000 với khoảng cao đều 5 m, chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn nhiều năm (nhiệt độ, lượng mưa, bốc hơi, gió) và số liệu khảo sát đất nền (đất cấp III).

Nội dung chính theo từng chương của đồ án

Phần I: Thiết kế cơ sở

Chương I: Giới thiệu tình hình chung của tuyến đường N – D

Chương này tổng hợp các điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội vùng tuyến đi qua. Địa hình mang tính chất đồi núi thấp, cao độ thay đổi từ 115 m (điểm N) đến 145 m (điểm D). Địa chất khu vực là đất đồi núi cấp III ổn định, không xuất hiện hiện tượng hang karst hay đá lăn sụt trượt, thuận lợi cho việc khai thác đất tại chỗ để đắp nền đường.

Khí hậu mang đặc trưng nhiệt đới gió mùa: mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau; nhiệt độ trung bình năm dao động từ 22°C đến 23°C; độ ẩm không khí trung bình từ 77,8% đến 84,2%. Vùng mưa thiết kế thuộc vùng XVI có lượng mưa ngày cực đại ứng với tần suất thiết kế $P = 4%$ là 128 mm.

Chương II: Cấp hạng và chỉ tiêu kỹ thuật của tuyến

Từ lưu lượng xe dự báo năm tương lai $N_{15} = 1.345$ xe/ngày đêm và phân bố các loại phương tiện (xe máy, xe con, xe buýt nhỏ, xe buýt lớn, xe tải 2 trục, xe tải 3 trục, xe đầu kéo), đồ án xác định cấp kỹ thuật của tuyến là đường Cấp IV miền núi theo TCVN 4054:2005. Vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60$ km/h; độ dốc dọc lớn nhất $i_{max} = 6%$; độ dốc siêu cao tối đa $i_{sc} = 7%$; bán kính đường cong nằm tối thiểu $R_{min} = 125$ m.

Chương III: Thiết kế tuyến trên bình đồ

Dựa trên bản đồ tỉ lệ 1:10.000, tác giả vạch và phân tích 2 phương án tuyến:

  • Phương án 1: Hướng tuyến bám men sườn đồi, cắt qua 3 nhánh suối, chiều dài lớn hơn, bình đồ nhiều đường cong.
  • Phương án 2: Hướng tuyến ngắn hơn, cắt qua 2 nhánh suối, bình đồ êm thuận hơn và điều kiện địa chất ổn định. Các yếu tố hình học của đường cong nằm (góc chuyển hướng $\alpha$, bán kính $R$, tiếp cự $T$, phân giác $P$, chiều dài đường cong $K$, chiều dài đoạn chuyển tiếp $L$, độ mở rộng $W$, siêu cao $I_{sc}$) và hệ thống cọc (cọc H 100m, cọc Km, cọc địa hình, cọc NĐ, TĐ, P, TC, NC) được tính toán chi tiết và lập bảng tọa độ cọc cho từng phương án.

Chương IV: Thiết kế trắc dọc – trắc ngang

Thiết kế đường đỏ bám sát địa hình tự nhiên, khống chế độ dốc dọc không vượt quá 6% và đảm bảo cao độ mực nước lũ tại các vị trí cống, cầu. Bố trí các đường cong đứng lồi và lõm tại các điểm đổi dốc. Định hình mặt cắt ngang đường cấp IV gồm phần xe chạy, lề đường gia cố và lề đất.

Chương V: Thiết kế kết cấu áo đường

Quy đổi tải trọng trục các loại xe về trục xe tiêu chuẩn 100 kN, xác định số trục xe tính toán $N_{tt}$ và mô đun đàn hồi yêu cầu $E_{yc}$. Đề xuất 2 phương án áo đường mềm sử dụng tầng mặt bê tông nhựa chặt trên lớp móng cấp phối đá dăm.

Chương VI: Thiết kế thoát nước

Xác định diện tích lưu vực $F$ và các đặc trưng hình thái sườn dốc, tính toán lưu lượng dòng chảy lũ thiết kế để xác định khẩu độ cống tròn, cống bản và cầu nhỏ. Bố trí hệ thống rãnh biên và rãnh đỉnh dọc tuyến để thoát nước mặt và ngăn nước tràn vào nền đường.

Chương VII: Khối lượng đào đắp

Tính toán diện tích mặt cắt ngang tại từng cọc và tổng hợp khối lượng đào, đắp đất cho toàn tuyến theo từng phương án.

Chương VIII: So sánh và lựa chọn phương án tuyến

So sánh toàn diện giữa Phương án 1 và Phương án 2 dựa trên: chi phí xây dựng nền mặt đường, chi phí công trình cầu cống, tổng mức đầu tư xây dựng, hệ số triển tuyến, hệ số chiều dài ảo, góc chuyển hướng bình quân và bán kính đường cong nằm bình quân. Kết quả xác định Phương án 2 là phương án tối ưu để triển khai thiết kế kỹ thuật.


Phần II: Thiết kế kỹ thuật đoạn tuyến Km0+900 – Km1+900

  • Chương I: Giới thiệu chung đoạn tuyến thiết kế kỹ thuật từ Km0+900 – Km1+900: Giới thiệu địa hình, địa mạo và các thông số thiết kế cơ sở của đoạn tuyến dài 1,0 km.
  • Chương II: Thiết kế bình đồ tuyến: Tính toán chi tiết các đường cong nằm, cắm đoạn nối chuyển tiếp, bố trí độ mở rộng phần xe chạy, độ dốc siêu cao và kiểm tra tầm nhìn xe chạy.
  • Chương III: Thiết kế trắc dọc, trắc ngang: Thiết kế đường đỏ chi tiết và bố trí đường cong đứng tại các điểm đổi dốc trên đoạn tuyến.
  • Chương IV: Thiết kế chi tiết kết cấu áo đường: Triển khai chi tiết Phương án kết cấu áo đường 1 gồm tầng mặt bê tông nhựa chặt kết hợp móng cấp phối đá dăm.
  • Chương V: Thiết kế thoát nước: Tính toán chế độ chảy, kiểm tra khẩu độ và khả năng thoát nước của các cống và rãnh dẫn nước trên đoạn Km0+900 – Km1+900.

Phần III: Tổ chức thi công

  • Chương I: Giới thiệu về dự án xây dựng công trình: Đánh giá điều kiện thời tiết, nguồn cung cấp nguyên vật liệu địa phương (cát, đá), nguồn nhân lực, bố trí tổng mặt bằng thi công, lán trại và công trình phụ trợ.
  • Chương II: Chọn phương án thi công: Phân tích và lựa chọn phương pháp tổ chức thi công theo dây chuyền chuyên môn hóa kết hợp thi công phân đoạn.
  • Chương III: Công tác chuẩn bị: Khôi phục hệ thống cọc định vị, giải phóng mặt bằng, dọn dẹp cây cỏ, chuẩn bị thoát nước thi công và lên khuôn đường.
  • Chương IV: Tổ chức thi công cống: Quy trình đào mố móng, vận chuyển bốc dỡ ống cống, thi công đệm móng, lắp đặt thân cống và đắp đất hoàn trả đầu cống.
  • Chương V: Tổ chức thi công nền đường: Lập quy trình công nghệ đào và đắp nền đường, vẽ đường cong lũy tích khối lượng và lập kế hoạch điều phối đất ngang - dọc.
  • Chương VI: Tổ chức thi công mặt đường: Lập quy trình công nghệ thi công lớp móng cấp phối đá dăm loại 2 (dày 32 cm), móng cấp phối đá dăm loại 1 (dày 18 cm), rải và lu lèn lớp bê tông nhựa chặt C19 và BTNC12; tính toán các thông số dây chuyền thi công ($T_{tk}, T_{ht}, T_{hđ}, V, T_{ôđ}, K_{hq}$).
  • Chương VII: Công tác hoàn thiện: Quy trình bạt mái taluy, đắp lề, gia cố rãnh thoát nước và lắp đặt hệ thống biển báo, cọc tiêu an toàn giao thông.

Kết quả tính toán và giải pháp kỹ thuật

Đồ án đã xác lập hệ thống thông số kỹ thuật thiết kế và các chỉ tiêu khí tượng thủy văn phục vụ công trình theo các bảng tổng hợp sau:

Thông số kỹ thuật Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn áp dụng / Nguồn dữ liệu
Cấp kỹ thuật đường Cấp IV miền núi TCVN 4054:2005
Vận tốc thiết kế ($V_{tk}$) 60 km/h TCVN 4054:2005
Lưu lượng dự báo tương lai ($N_{15}$) 1.345 xe/ngày đêm Báo cáo kinh tế - kỹ thuật
Độ dốc dọc tối đa ($i_{max}$) 6% TCVN 4054:2005
Độ dốc siêu cao tối đa ($i_{sc_max}$) 7% TCVN 4054:2005
Bán kính đường cong nằm tối thiểu ($R_{min}$) 125 m TCVN 4054:2005
Cao độ điểm đầu (N) / Điểm cuối (D) 115 m / 145 m (Chênh cao 30 m) Bản đồ địa hình 1:10.000
Chiều dày lớp móng cấp phối đá dăm loại 2 32 cm TCVN 8859:2011
Chiều dày lớp móng cấp phối đá dăm loại 1 18 cm TCVN 8859:2011
Tầng mặt bê tông nhựa Lớp dưới BTNC19, lớp trên BTNC12 TCVN 8819:2011

Số liệu khí hậu và khí tượng thủy văn làm căn cứ thiết kế công trình thoát nước:

Yếu tố khí hậu - thủy văn Đặc trưng giá trị Thời điểm / Ghi chú
Nhiệt độ trung bình tháng cao nhất 29,3 °C Tháng 7
Nhiệt độ trung bình tháng thấp nhất 17,0 °C Tháng 1
Lượng mưa tháng lớn nhất 317 mm Tháng 10
Lượng mưa tháng nhỏ nhất 7 mm Tháng 2
Lượng bốc hơi tháng lớn nhất 170 mm Tháng 8
Lượng mưa ngày thiết kế ($P = 4%$) 128 mm Vùng mưa XVI
Tốc độ gió bình quân mùa khô 3,5 m/s Hướng chính Đông chuyển Đông Bắc
Tốc độ gió bình quân mùa mưa 3,2 m/s Hướng Đông chuyển Tây Nam

Về giải pháp kết cấu và thi công:

  • Tận dụng tối đa nguồn vật liệu đất đào cấp III tại chỗ để đắp nền đường sau khi bóc bỏ lớp đất hữu cơ, kết hợp khai thác đá và cát địa phương để giảm giá thành vận chuyển.
  • Áo đường mềm được thiết kế với tầng móng 2 lớp cấp phối đá dăm (loại 2 dày 32 cm, loại 1 dày 18 cm) và tầng mặt bê tông nhựa chặt 2 lớp (BTNC19 và BTNC12).
  • Công tác thi công mặt đường được tổ chức theo phương pháp dây chuyền nhịp nhàng, kiểm soát chặt chẽ các thông số thời gian triển khai, thời gian ổn định và tốc độ rải lu lèn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Số liệu địa hình và lưu lượng xe thiết kế được tiếp nhận từ đề bài mẫu giả định của nhà trường, chưa phản ánh đầy đủ biến động giao thông thực tế tại hiện trường.
  • Bước thiết kế kỹ thuật chi tiết và lập biện pháp tổ chức thi công mới chỉ thực hiện trên đoạn tuyến mẫu 1,0 km (từ Km0+900 đến Km1+900) chứ chưa mở rộng cho toàn bộ tuyến đường N - D.
  • Khảo sát địa chất công trình và thủy văn lưu vực dừng lại ở mức độ thu thập số liệu khu vực và ước tính lý thuyết, chưa có dữ liệu khoan ép cọc hoặc thí nghiệm cơ lý chi tiết tại từng vị trí mố móng công trình cầu cống.

Hướng phát triển đề tài:

  • Mở rộng hồ sơ thiết kế kỹ thuật và bản vẽ thi công cho toàn bộ chiều dài tuyến N - D.
  • Bổ sung số liệu khoan khảo sát địa chất công trình chi tiết tại hiện trường phục vụ tính toán móng cầu cống vượt suối.
  • Ứng dụng các phần mềm tự động hóa thiết kế đường chuyên dụng để tối ưu hóa trắc dọc đường đỏ và điều phối đất chính xác theo từng phân đoạn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Công trình Giao thông, Xây dựng Cầu đường khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế đường ô tô hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư cầu đường.
  • Kỹ sư thiết kế công trình giao thông nông thôn, miền núi cần tài liệu tham khảo về quy trình tính toán thủy văn lưu vực nhỏ, vạch tuyến trên bình đồ, thiết kế áo đường mềm nhiều lớp và lập tiến độ tổ chức thi công dây chuyền.

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể gồm:

  • Quy trình quy đổi phương tiện xe hỗn hợp về xe con tiêu chuẩn theo TCVN 4054:2005.
  • Trình tự tính toán các yếu tố đường cong nằm, cắm đường cong chuyển tiếp, tính độ mở rộng và bố trí siêu cao.
  • Phương pháp tính toán thủy văn - thủy lực xác định khẩu độ cống qua đường vùng đồi núi.
  • Quy trình công nghệ thi công và tính toán thông số dây chuyền lớp móng cấp phối đá dăm và lớp mặt bê tông nhựa nóng theo TCVN 8859:2011 và TCVN 8819:2011.

Câu hỏi thường gặp

1. Tuyến đường N - D 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 đường cấp IV miền núi theo TCVN 4054:2005, với vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60$ km/h, độ dốc dọc lớn nhất $i_{max} = 6%$, bán kính đường cong nằm tối thiểu $R_{min} = 125$ m và độ dốc siêu cao tối đa $i_{sc} = 7%$.

2. Lưu lượng xe dự báo cho năm tương lai của tuyến đường N - D là bao nhiêu?
Lưu lượng xe thiết kế được dự báo cho năm tương lai thứ 15 là $N_{15} = 1.345$ xe/ngày đêm, bao gồm các loại phương tiện: xe máy, xe con, xe buýt nhỏ, xe buýt lớn, xe tải 2 trục, xe tải 3 trục và xe đầu kéo.

3. Đặc điểm địa hình và địa chất khu vực xây dựng tuyến N - D có điểm gì đáng chú ý?
Tuyến đi qua khu vực địa hình đồi núi có cao độ điểm đầu N là 115 m và điểm cuối D là 145 m (chênh cao 30 m). Địa chất là đất đồi núi cấp III ổn định, không có hiện tượng sụt lở, đá lăn hay hang castơ, cho phép tận dụng đất đào tại chỗ để đắp nền đường.

4. Kết cấu áo đường mềm trong đồ án sử dụng những loại vật liệu và quy cách chiều dày nào?
Kết cấu áo đường gồm tầng mặt bê tông nhựa chặt 2 lớp (lớp dưới BTNC19, lớp trên BTNC12 theo TCVN 8819:2011) và tầng móng cấp phối đá dăm theo TCVN 8859:2011 gồm lớp móng trên CPĐD loại 1 dày 18 cm và lớp móng dưới CPĐD loại 2 dày 32 cm.

5. Phạm vi nào được lựa chọn để lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật chi tiết và tổ chức thi công?
Đoạn tuyến được lựa chọn để lập thiết kế kỹ thuật chi tiết và tổ chức thi công có chiều dài 1,0 km, nằm trong khoảng lý trình từ Km0+900 đến Km1+900.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Xây dựng Cầu đường của tác giả Thạch Thị Ngọc Duyên đã hoàn thành đầy đủ quy trình khảo sát, tính toán và thiết kế cơ sở tuyến đường mới qua 2 điểm N - D đạt cấp IV miền núi ($V_{tk} = 60$ km/h). Công trình giải quyết đồng bộ từ khâu dự báo lưu lượng, vạch tuyến bình đồ, thiết kế trắc dọc - trắc ngang, kết cấu áo đường mềm đến hệ thống thoát nước và so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa các phương án tuyến. Hồ sơ cũng đã triển khai chi tiết bước thiết kế kỹ thuật và giải pháp tổ chức thi công dây chuyền chuyên môn hóa cho đoạn Km0+900 – Km1+900, đáp ứng chuẩn mực của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư công trình giao thông.