Luận án Nghiên cứu lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc và áp dụng cho tuyến đường sắt Hà Nội - Vinh

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Tr­êng §¹i häc Giao th«ng vËn t¶i Ph¹m Sü Lîi Nghiªn cøu lùa chän hîp lý c¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tuyÕn ®­êng s¾t cao tèc Vµ ¸P DôNG CHO TUYÕN §­êng s¾t hµ néi - vinh LuËn ¸n tiÕn sü kü thuËt Hµ Néi - 2015 Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Tr­êng §¹i häc Giao th«ng vËn t¶i Ph¹m Sü Lîi Nghiªn cøu lùa chän hîp lý c¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tuyÕn ®­êng s¾t cao tèc Vµ ¸P DôNG CHO TUYÕN §­êng s¾t hµ néi - vinh Ngµnh : Kü thuËt x©y dùng c«ng tr×nh giao th«ng Chuyªn ngµnh : X©y dùng §­êng s¾t M· sè : 62580205 LuËn ¸n tiÕn sü kü thuËt Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: 1. PGS.TS. Ph¹m V¨n Ký 2. TS. Lª H¶i Hµ 3. TS. §ç ViÖt H¶i Hµ Néi - 2015 CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do -Hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Phạm Sỹ Lợi LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả xin trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Khoa Công trình, phòng Đào tạo Sau Đại học, bộ môn Đường sắt thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong và ngoài Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu luận án. Xin cảm ơn các Chuyên gia trong và ngoài ngành đã quan tâm, đóng góp ý kiến đối với luận án này. Tác giả luận án NCS. Phạm Sỹ Lợi MỤC LỤC Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu đề tài 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 4. Phương pháp nghiên cứu 1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 Chương 1: Tổng quan về lựa chọn các thông số kỹ thuật cơ bản (TSKTCB) của tuyến đường sắt cao tốc 3 1.1. Các khái niệm 3 1.1.1. Đường sắt phổ thông 3 1.1.2. Đường sắt cận cao tốc 3 1.1.3. Đường sắt cao tốc 3 1.1.4. Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt 3 1.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản và các quy định chung 3 1.2.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của đường sắt phổ thông 3 1.2.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc 4 1.2.2.1. Cơ sở xác định các TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 4 1.2.2.2. Giới thiệu quy định về TSKTCB của 1 số nước 4 1.2.2.3. Đối với Việt Nam 6 1.2.2.4. TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 7 1.3. Sự cần thiết phải lựa chọn hợp lý các TSKT trên tuyến đường sắt cao tốc 11 1.4. Lựa chọn TSKTCB trên tuyến đường sắt cao tốc 11 1.4.1. Phương pháp lựa chọn riêng biệt từng TSKTCB 11 1.4.1.1. Chọn tốc độ thiết kế (tốc độ mục tiêu) 11 1.4.1.2. Bán kính đường cong tròn tối thiểu (Rmin) 12 1.4.1.3. Độ dốc tối đa của chính tuyến 17 1.4.1.4. Khoảng cách giữa hai tim tuyến 19 1.4.2. Phân tích đánh giá phương pháp truyền thống lựa chọn tổ hợp các TSKTCB về các yếu tố tuyến đường 24 1.4.3. Phân tích những công trinh nghiên cứu ở trong nước liên quan đến chọn TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 26 1.4.4. Những tồn tại trong việc tìm các TSKTCB theo phương pháp truyền thống 26 1.5. Mục tiêu của luận án 26 1.6. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 27 Chương 2: Ứng dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 28 2.1. Giới thiệu về phương pháp phân tích đa chỉ tiêu 28 2.1.1. Phân tích đa chỉ tiêu 28 2.1.2. Các khái niệm của phân tích đa chỉ tiêu 28 2.1.3. Mô hình đánh giá đa chỉ tiêu 29 2.1.4. Các mô hình toán học hỗ trợ trong phương pháp phân tích đa chỉ tiêu 30 2.1.4.1. Phương pháp Conjunctive 30 2.1.4.2. Phương pháp AHP 31 2.1.5. Lựa chọn những người tham gia vào quá trình đánh giá đa chỉ tiêu 35 2.1.5.1. Những người tham ra vào quá trình đánh giá và ra quyết định 37 2.1.5.2. Lãnh đạo quá trình đánh giá 37 2.1.5.3. Nhóm chuyên gia phân tích 37 2.1.5.4. Ý kiến của công chúng 37 2.1.6. Các phương pháp ra quyết định trong quá trình đánh giá đa chỉ tiêu 38 2.1.6.1. Phương pháp bầu cử 39 2.1.6.2. Phương pháp bỏ phiếu 39 2.1.6.3. Phương pháp thảo luận trực tiếp 40 2.1.6.4. Phương pháp Nominal Group 40 2.1.6.5. Phương pháp Delphi 40 2.2. Giới thiệu quy trình đánh giá đa chỉ tiêu 41 2.2.1. Lựa chọn những người tham gia vào quá trình ra quyết định 41 2.2.2. Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thiết lập sơ đồ phân tích (cây phân tích) 42 2.2.2.1. Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thiết lập sơ đồ phân tích 42 2.2.2.2. Thiết lập các phương án và loại bỏ các phương án không thể chấp nhận 43 2.2.3. Xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu 43 2.2.4. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu 45 2.2.4.1. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu lượng hóa được 45 2.2.4.2. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu không lượng hóa được 46 2.2.4.3. Thu thập ý kiến chuyên gia để so sánh và xác định độ lớn các chỉ tiêu 46 2.2.4.4. Xử lý số liệu thu thập từ ý kiến chuyên gia 47 2.2.5. Xác định phương án tốt nhất 47 2.2.5.1. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu của phương án 47 2.2.5.2. Phân tích độ nhạy 48 2.2.6. Chương trình Expert Choice 48 2.2.7. Tổng hợp sơ đồ thực hiện đánh giá đa chỉ tiêu để ựa chọn phương án 49 2.3. Các đặc điểm và các ứng dụng hiện nay của phân tích đa chỉ tiêu 50 2.3.1. Đặc điểm phân tích đa chỉ tiêu 50 2.3.2.Ứng dụng của phân tích đa chỉ tiêu hiện nay 50 2.4. Ứng dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của đường sắt cao tốc 51 2.4.1. Cơ sở đề xuất ứng dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của ĐSCT 51 2.4.2. Các bước thực hiện phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của ĐSCT 52 2.4.2.1. Xây dựng bài toán và thiết lập sơ đồ phân tích 52 2.4.2.2. Lựa chọn chuyên gia tham gia vào quá trình ra quyết định 53 2.4.2.3. Phân tích các chỉ tiêu đánh giá 54 2.4.2.4. Thiết lập phương án và xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu 69 2.4.2.5. Tính toán, xác định phương án tốt nhất bằng cách tính trọng số R của từng phương án 70 2.4.2.6. Phân tích độ nhạy, ra quyết định lựa chọn phương án 71 2.5. Kết luận Chương 2 71 Chương 3: Lựa chọn các TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc Hà Nội - Vinh 73 3.1. Giới thiệu đường sắt hiện tại 73 3.2. Xác định bài toán và thiết lập sơ đồ phân tích số liệu đầu vào 74 3.2.1. Thiết lập bài toán 74 3.2.2. Sơ đồ phân tích các chỉ tiêu và sơ đồ tính toán 74 3.2.3. Các số liệu ban đầu phục vụ việc phân tích 75 3.3. Lựa chọn các chuyên gia đánh giá 76 3.4. Phân tích các chỉ tiêu đánh giá để lựa chọn thực hiện cho điểm so sánh các chỉ tiêu 76 3.4.1. Phân tích, lựa chọn miền các tiêu chuẩn kỹ thuật 76 3.4.2. Phân tích các chỉ tiêu 76 3.5. Tổng hợp ý kiến chuyên gia để tính toán các trọng số và thành lập các phương án so sánh 78 3.5.1. Từ kết quả chấm điểm so sánh của các chuyên gia đối với từng chỉ tiêu, thực hiện tổng hợp, sử lý số liệu để đưa vào tính toán 78 3.5.2. Tính trọng số các chỉ tiêu tiêu chuẩn 78 3.5.3. Tính trọng số các chỉ tiêu chi tiết trong từng chỉ tiêu tiêu chuẩn. 79 3.5.3.1. Chỉ tiêu Kỹ thuật - Công nghệ 79 3.5.3.2. Chỉ tiêu Kinh tế 80 3.5.3.3. Chỉ tiêu Môi trường 81 3.5.3.4. Chỉ tiêu Xã hội 81 3.5.3.5. Chỉ tiêu các Dữ liệu mờ 82 3.5.4. Thiết lập phương án 83 3.5.5. Tính toán, xác định phương án tốt nhất bằng cách tính trọng số R của từng phương án 84 3.5.5.1. Tính trọng số R của phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo phần mềm Expert choice 84 3.5.5.2. Tính trọng số R của phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo phần mềm VBA 86 3.5.5.3. Ra quyết định lựa chọn phương án 109 3.5.6. So sánh với kết quả nghiên cứu của các tổ chức quốc tế 109 Kết luận và kiến nghị 111 Danh mục các công trình công bố kết quả nghiên cứu của đề tài, luận án 113 Tài liệu tham khảo 114 Phụ lục đính kèm DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. AGC : Hiệp hội Đường sắt Châu Âu 2. ECE : Hội đồng kinh tế châu Âu 3. TSKTCB : Thông số kỹ thuật cơ bản 4. GTVT : Giao thông vận tải 4. ĐSCT : Đường sắt cao tốc 5. TGV : Công nghệ động lực tập trung 6. EMU : Công nghệ động lực phân tán 7. MCA : Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu 8. Vmax : Tốc độ mục tiêu 9. Rmin : Bán kính đường cong tối thiểu 10. Imax : Độ dốc dọc tối đa 11. D : Khoảng cách 2 tim tuyến 12. Lsd : Chiều dài đường đón gửi tầu 13. n : Số đường 14. P : Tải trọng bánh tĩnh trên trục 15. H : Lực ngang ở giữa bánh xe ray 16. h : Siêu cao 17. hq : Siêu cao thiếu 18. Hg : Siêu cao thường 19. B : Chiều rộng thân toa xe 20. ĐSPT : Đường sắt phổ thông 21. TSKT : Thông số kỹ thuật DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Thống kê TSKTCB của một số tuyến đường sắt cao tốc trên thế giới. ...... 6 Bảng 1-2. Trị số siêu cao thiếu, thừa cho phép (mm) [16], [7], [8] ........................... 17 Bảng 1-3. Quan hệ tương thích giữa tốc độ và độ dốc với công suất đầu máy .......... 18 Bảng 2-1. Bảng các giá trị của chỉ số nhất quán RI .................................................. 35 Bảng 2-2. Bảng tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số cơ bản ................. 57 Bảng 2-3. Bảng tốc độ và lực cản............................................................................. 61 Bảng 2-4. Năng lực cạnh tranh với các phương tiện giao thông khác. ...................... 66 Bảng 2-5. Diện tích đất đối với tốc độ thiết kế khác nhau. ....................................... 66 Bảng 2-6. Mức tiếng ồn tối đa cho phép ở khu vực công cộng và dân cư ................. 68 Bảng 3-1. Dự báo nhu cầu vận chuyển hành khách tuyến Hà nội - Vinh .................. 73 Bảng 3-2. Dự báo nhu cầu vận chuyển hàng hóa ...................................................... 74 Bảng 3-3. Hiện trạng các điểm văn hoá - lịch sử - môi trường ở khu vực tuyến đi qua cần lưu giữ. .............................................................................................................. 77 Bảng 3-4. Hiện trạng các khu vực bảo tồn môi trường sống/loại sinh vật ................. 77 Bảng 3-5. Ma trận mức độ ưu tiên của 5 chỉ tiêu tiêu chuẩn. .................................... 78 Bảng 3-6. Bảng chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên của 5 chỉ tiêu tiêu chuẩn ........... 79 Bảng 3-7. Mức ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Kỹ thuật - Công nghệ" ................................................................................................................................ 79 Bảng 3-8. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Kỹ thuật - Công nghệ"............................................................................................ 80 Bảng 3-9. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Kinh tế" .............. 80 Bảng 3-10. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng só các tiêu chí trong chỉ tiêu "Kinh tê" .................................................................................................................. 80 Bảng 3-11. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Môi trường" ..... 81 Bảng 3-12. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Môi trường" ........................................................................................................... 81 Bảng 3-13. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Xã hội" ............. 81 Bảng 3-14. Chuẩn hóa ma trân mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Xã hội" ................................................................................................................... 82 Bảng 3-15. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Dữ liệu mờ". .... 82 Bảng 3-16. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu "Dữ liệu mờ". .......................................................................................................... 82 Bảng 3-17. Bảng trọng số chung của các tiêu chí ..................................................... 83 Bảng 3-18. Thiết lập phương án ............................................................................... 83 Bảng 3-19. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Tiêu hao năng lượng". ............................................................................................................ 86 Bảng 3-20. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Tiêu hao năng lượng". ............................................................................................ 87 Bảng 3-21. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Sóng áp lực không khí khi hai đoàn tàu gặp nhau". ..................................................................... 87 Bảng 3-22. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Sóng áp lực không khí hai đoàn tàu gặp nhau". ...................................................... 88 Bảng 3-23. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Lực kéo". 88 Bảng 3-24. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Lực kéo". ............................................................................................................... 88 Bảng 3-25. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Địa hình". ................................................................................................................................ 89 Bảng 3-26. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Địa hình". ............................................................................................................... 89 Bảng 3-27. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Công nghệ chạy tàu". ................................................................................................................. 89 Bảng 3-28. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Công nghệ chạy tàu". ............................................................................................. 90 Bảng 3-29. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Phương thức chạy tàu". ................................................................................................................. 90 Bảng 3-30. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Phương thức chạy tàu". .......................................................................................... 91 Bảng 3-31. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Tiếng ồn". ................................................................................................................................ 91 Biểu 3-32. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Tiếng ồn". .............................................................................................................. 91 Bảng 3-33. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Bảo tồn di tích lịch sử văn hóa". ............................................................................................... 92 Bảng 3-34. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Bảo tồn di tích lịch sử văn hóa". ............................................................................. 92 Bảng 3-35. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Vị trí địa lý tuyến". ..................................................................................................................... 93 Bảng 3-36. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Vị trí địa lý tuyến". ................................................................................................. 93 Bảng 3-37. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Tính cạnh tranh với các phương tiện giao thông". ..................................................................... 94 Bảng 3-38. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Tính cạnh tranh với các phương tiện giao thông". .................................................. 94 Bảng 3-39. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Độ thích nghi của hành khách". .............................................................................................. 95 Bảng 3-40. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Độ thích nghi của hành khách". .............................................................................. 95 Bảng 3-41. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Diện tích đất chiếm dụng"............................................................................................................. 96 Bảng 3-42. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Diện tích chiếm đất". .............................................................................................. 96 Bảng 3-43. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Ảnh hưởng An ninh - Quốc phòng". ........................................................................................... 97 Bảng 3-44. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Ảnh hưởng An ninh - Quốc phòng". ...................................................................... 97 Bảng 3-45. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Phát triển vùng dọc tuyến". ...................................................................................................... 98 Bảng 3-46. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Phát triển vùng dọc tuyến". .................................................................................... 98 Bảng 3-47. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Chi phí xây dựng". ...................................................................................................................... 99 Bảng 3-48. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Chi phí xây dựng". ................................................................................................. 99 Bảng 3-49. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Chi phí khai thác". ..................................................................................................................... 100 Bảng 3-50. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Chi phí khai thác". ................................................................................................ 100 Bảng 3-51. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Doanh thu vận tải". ................................................................................................................. 101 Bảng 3-52. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Doanh thu vận tải"................................................................................................ 101 Bảng 3-53. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Công nghệ thi công". ............................................................................................................... 102 Bảng 3-54. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Công nghệ thi công". ............................................................................................ 102 Bảng 3-55. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Đơn giá". .............................................................................................................................. 103 Bảng 3-56. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Đơn giá". .............................................................................................................. 103 Bảng 3-57. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(km/h) theo tiêu chí "Địa chất". ............................................................................