Đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô ở Việt Nam

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS Nguyễn Văn Chính 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ 7 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 10 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 13 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI TRONG XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC ĐƢỜNG Ô TÔ ................................ 16 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI............................................ 16 1.1.1. Máy toàn đạc điện tử .............................................................................................. 16 1.1.2. Công nghệ GPS ....................................................................................................... 18 1.1.3. Máy thủy bình điện tử ........................................................................................... 19 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI TRONG XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC ĐƢỜNG Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .................................................................................................................................... 20 1.2.1. Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đƣờng ô tô trên thế giới ............................................................................................... 20 1.2.1.1. Nghiên cứu đo cao bằng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử . 20 1.2.1.2. Ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô............................................................................................................. 24 1.2.2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đƣờng ô tô ở Việt Nam ................................................................................................ 26 1.2.2.1. Nghiên cứu đo cao bằng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử . 26 1.2.2.2. Quy định ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại theo các tiêu chuẩn xây dựng và khai thác đường ô tô ........................................................................ 27 1.2.2.3. Ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô............................................................................................................. 29 1.3. XÁC ĐỊNH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................... 34 1.3.1. Tổng hợp tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng đƣờng ô tô trên thế giới và ở Việt Nam ........................................................... 34 1.3.2. Xác định nội dung nghiên cứu của luận án ....................................................... 37 3 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ .................................... 38 2.1. NỘI DUNG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ ........ 38 2.1.1. Công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế ......................................... 38 2.1.2. Công tác trắc địa trong giai đoạn thi công ......................................................... 39 2.2. ĐỘ CHÍNH XÁC YÊU CẦU CỦA CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ .................................................................................................................... 40 2.2.1. Độ chính xác yêu cầu của công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế ................................................................................................................................................... 40 2.2.2. Độ chính yêu cầu của công tác trắc địa trong giai đoạn thi công .................. 42 2.3. NGHIÊN CỨU THÀNH LẬP LƢỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG VÀ LƢỚI KHỐNG CHẾ ĐỘ CAO TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ BẰNGMÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ GPS ........................................................................... 44 2.3.1. Thành lập lƣới đƣờng chuyền cấp 2 bằng máy toàn đạc điện tử .................. 44 2.3.1.1. Đồ hình lưới đường chuyền cấp 2 trong xây dựng đường ô tô ........ 44 2.3.1.2. Phương pháp thành lập lưới đường chuyền cấp 2 bằng máy toàn đạc điện tử ................................................................................................................... 46 2.3.2. Thành lập lƣới đƣờng chuyền cấp 2 bằng phƣơng pháp “GPS- động” ...... 50 2.3.2.1. Nguyên lý và độ chính xác của phương pháp “GPS- động” ............ 50 2.3.2.2. Ứng dụng phương pháp “GPS- động” thành lập lưới đường chuyền cấp 2 ..................................................................................................................... 52 2.3.3. Đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp “GPS- động” trong thành lập lƣới đƣờng chuyền cấp 2 .............................................................................................................. 57 2.3.4. Thành lập lƣới khống chế độ cao bằng máy toàn đạc điện tử ....................... 58 2.3.4.1. Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác đo cao bằng máy toàn đạc điện tử .................................................................................................... 58 2.3.4.2. Phương pháp thành lập lưới khống chế độ cao bằng máy toàn đạc điện tử ................................................................................................................... 65 2.3.5. Thành lập đồng thời lƣới đƣờng chuyền cấp 2 và lƣới khống chế độ cao hạng IV bằng máy toàn đạc điện tử .................................................................................. 66 2.3.5.1. Phương pháp đo và xử lý số liệu ...................................................... 66 2.3.5.2. Đánh giá hiệu của phương pháp thành lập đồng thời lưới độ cao hạng IV và lưới đường chuyền cấp 2 bằng máy toàn đạc điện tử ........................ 68 4 2.4. NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ VỊ TRÍ ĐIỂM MẶT BẰNG VÀ ĐỘ CAO BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ TRONG THI CÔNG ĐƢỜNG Ô TÔ ........................................ 69 2.4.1. Ứng dụng máy toàn đạc điện tử bố trí vị trí điểm mặt bằng ......................... 69 2.4.1.1. Phân tích sai số bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy toàn đạc điện tử .................................................................................................... 69 2.4.1.2. Ứng dụng chương trình “setting out” bố trí vị trí mặt bằng trong thi công đường ô tô .................................................................................................... 71 2.4.2. Ứng dụng máy toàn đạc điện tử bố trí vị trí điểm độ cao ............................... 73 2.4.3. Phƣơng pháp bố trí đồng thời vị trí điểm mặt bằng và độ cao trong thi công đƣờng ô tô bằng máy toàn đạc điện tử .............................................................................. 75 2.4.4. Ứng dụng phƣơng pháp giao hội nghịch của máy toàn đạc điện tử kiểm tra vị trí điểm mặt bằng trong thi công đƣờng ô tô .............................................................. 76 2.5. PHƢƠNG PHÁP ĐO VẼ MẶT CẮT ĐỊA HÌNH TRONG GIAI ĐOẠN KHẢO SÁT THIẾT KẾ BẢN VẼ THI CÔNG BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ............... 77 2.5.1. Đo mặt cắt dọc tuyến đƣờng bằng máy toàn đạc điện tử ............................... 77 2.5.2. Đo mặt cắt ngang tuyến đƣờng bằng máy toàn đạc điện tử .......................... 78 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ MÁY THỦY BÌNH ĐIỆN TỬ TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NỀN ĐƢỜNG ......................................................................................................................... 81 3.1. MỤC ĐÍCH VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CÔNG TÁC QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NỀN ĐƢỜNG .............................................................................................................................. 81 3.1.1. Mục đích công tác quan trắc chuyển vị nền đƣờng ......................................... 81 3.1.2. Độ chính xác quan trắc chuyển vị nền đƣờng ................................................... 82 3.1.2.1. Độ chính xác quan trắc lún nền đường ............................................. 82 3.1.2.2. Độ chính xác quan trắc chuyển vị ngang nền đường ....................... 85 3.2. XÁC ĐỊNH CHU KỲ QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NỀN ĐƢỜNG ......................... 86 3.3. QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐƢỜNG TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ MÁY THỦY BÌNH ĐIỆN TỬ .......................................................... 88 3.3.1. Phƣơng pháp thành lập lƣới khống chế cơ sở và phƣơng pháp đo quan trắc ................................................................................................................................................... 88 3.3.2. Phƣơng pháp phân tích số liệu quan trắc lún nền đƣờng trên đất yếu ....... 90 3.3.2.1. Khái quát phương pháp phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic ....................................................................................................... 90 5 3.3.2.2. Ứng dụng nguyên lý “số bình phương tối thiểu” phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic ............................................................ 92 3.4. QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NGANG CỦA NỀN ĐƢỜNG BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ................................................................................................................... 97 3.4.1. Quan trắc chuyển vị ngang nền đƣờng đắp trên đất yếu bằng máy toàn đạc điện tử ...................................................................................................................................... 97 3.4.1.1. Bố trí mốc lưới khống chế cơ sở và mốc quan trắc chuyển vị ngang .............................................................................................................................. 97 3.4.1.2. Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu quan trắc ........................... 98 3.4.2. Quan trắc chuyển vị ngang của nền đƣờng đắp cao bằng máy toàn đạc điện tử ............................................................................................................................................. 100 3.4.2.1. Bố trí mốc lưới khống chế cơ sở và mốc quan trắc chuyển vị ngang ............................................................................................................................ 100 3.4.2.2. Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu quan trắc ......................... 101 3.5. TRÌNH TỰ KỸ THUẬT QUAN TRẮC ĐỒNG THỜI ĐỘ LÚN VÀ CHUYỂN VỊ NGANG CỦA NỀN ĐƢỜNG TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ........................................................................................................................................... 102 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................. 106 4.1. PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO CAO BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ................................................................................................................. 106 4.1.1. Mục đích và phƣơng pháp thực nghiệm .......................................................... 106 4.1.2. Xác định chiều dài tia ngắm và đánh giá kết quả thực nghiệm .................. 108 4.2. PHƢƠNG PHÁP BỐ TRÍ VỊ TRÍ ĐIỂM ĐỘ CAO BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ TRONG THI CÔNG NÚT GIAO KHÁC MỨC VÀ ĐƢỜNG TRÊN CAO ........................................................................................................................................... 110 4.2.1. Mục đích, thiết bị và phƣơng pháp thực nghiệm ........................................... 110 4.2.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ........................................................................... 111 4.3. THÀNH LẬP LƢỚI ĐƢỜNG CHUYỀN CẤP 2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP “GPS- ĐỘNG” ........................................................................................................................................... 113 4.3.1. Mục đích, phƣơng pháp thực nghiệm .............................................................. 113 4.3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ........................................................................... 115 4.4. PHÂN TÍCH SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN TRONG DỰ ÁN XÂY DỰNG ĐƢỜNG CAO TỐC HÀ NỘI- HẢI PHÒNG ĐOẠN KM8+ 700- KM8+ 880 (EX2-14) ........................................................................................................................................... 118 6 4.4.1. Khái quát công tác quan trắc chuyển vị nền đƣờng trên đất yếu trong Dự án đƣờng cao tốc Hà Nội- Hải Phòng, đoạn Km8+700- Km8 + 880 ......................... 118 4.4.2. Ứng dụng nguyên lý “số bình phƣơng tối thiểu” phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic. ........................................................................................ 119 4.5. QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ TRÊN ĐƢỜNG CAO TỐC NỘI BÀI- LÀO CAI ... 120 4.5.1. Xác định chu kỳ quan trắc và bố trí mốc quan trắc ...................................... 120 4.5.2. Quan trắc chuyển vị ngang bằng máy toàn đạc điện tử ............................... 122 4.5.2.1. Thành lập lưới khống chế cơ sở ..................................................... 122 4.5.2.2. Phương pháp đo quan trắc chuyển vị ngang .................................. 124 4.5.3. Quan trắc độ lún bằng máy thủy bình điện tử ............................................... 128 4.4.3.1. Thành lập lưới khống chế cơ sở quan trắc lún ............................... 128 4.5.3.2. Đo quan trắc lún ............................................................................. 130 4.5.3.3. Xử lý kết quả quan trắc .................................................................. 130 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 135 KIẾN NGHỊ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................. 137 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NCS .......................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 139 DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC ................................................................................. 145 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CPU : Central Processing Unit- Bộ xử lý trung tâm EDM : Electronic Distance Metter- Máy đo xa điện tử DT : Digital Theodolite – Máy kinh vĩ điện tử Epoch : Đơn vị thời gian của công nghệ GPS GPS : Global Positioning System- Hệ thống định vị toàn cầu NCS : Nghiên cứu sinh RTK : Real Time Kinematic- Đo động thời gian thực PPK : Post Processing Kinematic- Đo động xử lý sau TBĐT : Thủy bình điện tử TĐĐT : Toàn đạc điện tử 8 DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang 1 Bảng 1.1: Độ chính xác đo cao bằng máy TĐĐT ở nước ngoài 23 2 Bảng 1.2: Tổng hợp ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam 35 3 Bảng 2.1: Các chỉ tiêu kỹ thuật lưới khống chế mặt bằng hạng IV 41 4 Bảng 2.2: Các chỉ tiêu kỹ thuật lưới đường chuyền cấp 2 41 5 Bảng 2.3: Độ chính xác bố trí độ cao trong thi công nền mặt đường 43 6 Bảng 2.4: Độ chính xác đo động của một số máy đo GPS phổ biến ở Việt Nam 51 7 Bảng 2.5: So sánh phương pháp “GPS- động” với phương pháp truyền thống trong thành lập lưới đường chuyền cấp 2 57 8 Bảng 2.6: Hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất khi đo cao bằng máy TĐĐT 60 9 Bảng 2.7: Khảo sát ảnh hưởng của sai số ngắm đến kết quả đo cao bằng máy TĐĐT 60 10 Bảng 2.8: Kết quả ước tính chiều dài tia ngắm của máy TĐĐT theo chương trình “ETS 2013” khi thành lập lưới khống chế độ cao 65 11 Bảng 2.9: So sánh phương pháp thành lập đồng thời lưới độ cao hạng IV và lưới đường chuyền cấp 2 bằng máy TĐĐT với phương pháp truyền thống 69 12 Bảng 2.10: Độ chính xác bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy TĐĐT 72 13 Bảng 2.11: Kết quả ước tính chiều dài tia ngắm của máy TĐĐT phục vụ bố trí độ cao trong thi công nền mặt đường, nút giao khác mức và đường trên cao 74 14 Bảng 3.1: Ước tính chiều dài tia ngắm và độ chính xác của máy TĐĐT sử dụng quan trắc lún nền đường trên đất yếu 90 9 15 Bảng 3.2: Bảng dữ liệu khi phân tích số liệu quan trắc lún theo phương pháp Hyperbolic trên Excel 97 16 Bảng 3.3: Kết quả thiết kế lưới khống chế cơ sở quan trắc chuyển vị ngang nền đường đắp cao 101 17 Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả xác định chiều dài tia ngắm thực nghiệm 109 18 Bảng 4.2: So sánh chiều dài tia ngắm thực nghiệm (TN) và chiều dài tia ngắm lý thuyết (LT) xác định theo chương trình “ETS 2013” 109 19 Bảng 4.3: Hiệu độ cao giữa mốc F1 và F3 với điểm bố trí trên các tầng nhà A2 đo bằng máy TĐĐT 112 20 Bảng 4.4: Sai số trung phương của kết quả thực nghiệm bố trí độ cao ở các tầng nhà A2 113 21 Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả đo GPS tĩnh tại các điểm kiểm tra 115 22 Bảng 4.6: Kết quả phân tích số liệu quan trắc lún bằng phương pháp giải tích và Trendline của Excel 120 23 Bảng 4.7: Tọa độ và độ chính xác lưới khống chế mặt bằng cơ sở chu kỳ “0” 124 24 Bảng 4.8: Sai số vị trí điểm yếu nhất của lưới quan trắc 125 25 Bảng 4.9: Tổng hợp kết quả tính chuyển vị ngang nền, mặt đường 126 26 Bảng 4.10: Kết quả thành lập lưới độ cao cơ sở ở chu kỳ “0” 129 27 Bảng 4.11: Kết quả đánh giá ổn định của mốc lưới khống chế cơ sở ở các chu kỳ 130 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình vẽ Trang 1 Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của máy TĐĐT 16 2 Hình 1.2: Máy TĐĐT tự động 18 3 Hình 1.3: Cấu trúc của GPS 18 4 Hình 1.4: Nguyên tắc định vị GPS 19 5 Hình 1.5: Các phương pháp đo GPS 19 6 Hình 1.6: Máy thủy bình điện tử 20 7 Hình 1.7: Nguyên lý đo cao GPS 21 8 Hình 1.8: Nguyên lý đo cao của máy TĐĐT 22 9 Hình 1.9: Ứng dụng GPS và máy TĐĐT trong thi công đường ô tô 25 10 Hình 1.10: Lưới khống chế mặt bằng trong xây dựng đường ô tô 30 11 Hình 1.11: Lưới khống chế độ cao (Dự án đường cao tốc Biên Hòa- Vũng Tàu) 31 12 Hình 1.12: Bố trí độ cao trong thi công trụ đường trên cao và nút giao khác mức 32 13 Hình 2.1: Các dạng đồ hình lưới đường chuyền hở 45 14 Hình 2.2: Sơ đồ lưới đường chuyền cấp 2 khuyết phương vị trong xây dựng đường ô tô 46 15 Hình 2.3: Xử lý số liệu đường chuyền cấp 2 khuyết phương vị 47 16 Hình 2.4: Phương pháp GPS- RTK 51 17 Hình 2.5: Sơ đồ lưới đường chuyền cấp 2 thành lập bằng phương pháp đo “GPS- động” 53 18 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí trạm cơ sở 54 19 Hình 2.7: Hiện tượng chiết quang trong không khí 61 20 Hình 2.8: Góc nghiêng mặt gương 61 21 Hình 2.9: Giao diện của chương trình “ETS 2013” 64 22 Hình 2.10: Chiều dài tia ngắm và chiều dài cạnh đường chuyền cấp 2 66 11 23 Hình 2.11: Sơ đồ thành lập đồng thời lưới đường chuyền cấp 2 và lưới độ cao hạng IV bằng máy TĐĐT 67 24 Hình 2.12: Bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy TĐĐT 70 25 Hình 2.13: Đồ thị khảo sát độ chính xác bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy TĐĐT trong thi công nút giao khác mức và đường trên cao 73 26 Hình 2.14: Sơ đồ bố trí độ cao bằng máy TĐĐT 74 27 Hình 2.15: Trình tự kỹ thuật bố trí đồng thời vị trí mặt bằng và độ cao bằng máy TĐĐT 75 28 Hình 2.16: Phương pháp giao hội nghịch góc - cạnh bằng máy TĐĐT 76 29 Hình