Đề tài Xây dựng chu trình xác lập kế hoạch công tác bảo trì mạng lưới mặt đường ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG -------***-------- BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Xây dựng Chu trình Xác lập Kế hoạch Công tác Bảo trì Mạng lưới Mặt đường ô tô Mã số: 22-2010/KHXD Người thực hiện: GV.TS. Đinh Văn Hiệp Bộ môn: Đường ô tô & Đường đô thị Khoa: Cầu Đường Hà Nội, 12/2010 - 1 - MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ...............................................................................................................4 TỔNG QUAN CHUNG VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU........................................4 CHƯƠNG 2: ...............................................................................................................7 ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH THỰC HIỆN......................................................................7 2.1 Thu thập số liệu..................................................................................................7 2.2 Phân tích tối ưu ..................................................................................................7 2.3. ChuNn bị phân chia các gói thầu. ......................................................................9 CHƯƠN G 3: .............................................................................................................13 VÍ DỤ ÁP DỤN G CỤ THỂ......................................................................................13 3.1. Số liệu đầu vào................................................................................................13 3.1.1. Định nghĩa mạng lưới và hiệu chỉnh dữ liệu:...........................................13 3.1.2. Dữ liệu giao thông và chi phí vận doanh .................................................13 3.2. Hiệu chỉnh cho các điều kiện địa phương.......................................................15 3.3. Phân chia đoạn đồng nhất ...............................................................................16 3.4. Các công tác bảo trì thích hợp ........................................................................16 3.4.1. Các phương án bảo trì ..............................................................................17 3.4.2.Các phương án bảo trì tối ưu tương ứng cho các đoạn tuyến đại diện......18 3.4.3. Phát sinh các phương án bảo trì thích hợp cho phân tích.........................18 3.5. Kết quả phân tích ............................................................................................22 CHƯƠN G 4. .............................................................................................................23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN N GHN ..................................................................................23 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................24 PHỤ LỤC 1:..............................................................................................................27 PHỤ LỤC 2:..............................................................................................................38 - 2 - DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Tỷ lệ tăng trưởng xe hàng năm.................................................................13 Bảng 3.2. Các số liệu đặc trưng của dòng xe đặc trưng.............................................0 Bảng 3.3. Hệ số hiệu chỉnh sự thay đổi độ gồ ghề theo điều kiện môi trường.........15 Bảng 3.4. Hệ số hiệu chỉnh sự này sinh các vết nứt theo sự xuống cấp môi trường 15 Bảng 3.5. Đặc điểm mạng lưới đường ......................................................................16 Bảng 3.6. Đơn giá chi phí của các công việc bảo trì.................................................17 Bảng 3.7. Phương án bảo trì tối ưu tương ứng cho các đoạn đại diện.....................18 Bảng 3.8. Lựa chọn bảo trì cho các đoạn với lưu lượng rất cao và cao....................19 Bảng 3.9. Lựa chọn bảo trì cho các các đoạn với lưu lượng trung bình và thấp .....20 Bảng 3.10. Danh sách công việc 3 năm đầu cho các đoạn tuyến .............................21 - 3 - TÓM TẮT Báo cáo Dự án N âng cấp Mạng lưới Quốc lộ Việt N am cho thấy, khoảng 40% mạng lưới quốc lộ ở tình trạng xấu và rất xấu. Trong khi đó, nguồn vốn hiện tại dành cho bảo trì mạng lưới chỉ vào khoảng 60% chi phí cần để duy trì mạng lưới đường ở điều kiện hiện có. Công tác bảo trì chưa có những kế hoạch công việc và có những kế hoạch về việc phân bổ vốn cho công tác quản lý và bảo trì mạng lưới đường trong nhiều năm liên tiếp. Do vậy, mục đích của nghiên cứu là đưa ra chu trình xác định danh sách các đoạn tuyến cần bảo trì cùng với công việc bảo trì cho kế hoạch quản lý và bảo trì mạng lưới đường bộ trong nhiều năm liên tiếp. Phân tích sử dụng phương pháp kết hợp mô hình HDM-4/EBM với phân đoạn đồng nhất cho việc phân tích tối ưu hóa về lợi ích kinh tế trong điều kiện hạn chế về nguồn vốn. N ghiên cứu hướng đến việc đưa ra chu trình phân tích như là chỉ dẫn cụ thể cho các nhà quản lý đường khi thực hiện các công tác lập kế hoạch bảo trì một cách khách quan và khoa học hơn. Phương thức phân tích đề xuất trong nghiên cứu có ưu điểm là xem xét được toàn bộ mạng lưới đường thay vì xem xét các đoạn tuyến được ấn định trước bởi người phân tích, do vậy loại trừ được tính chủ quan trong khi thực hiện phân tích. Tuy vậy, khi sử dụng phân tích kế hoạch công việc bảo trì, HDM-4 giải quyết bài toán tối ưu kinh tế–kỹ thuật của mạng lưới dưới góc độ vĩ mô và ấn định công việc bảo trì tiêu chuNn cho từng đoạn tuyến đồng nhất. Mức độ chính xác của phân tích không đi vào chi tiết công việc thực hiện và phụ thuộc rất nhiều vào cách thức tiếp cận của phân tích. Chính vì vậy, trong nghiên cứu trình bày phương thức kết hợp giữa kết quả từ mô hình HDM-4 và cách thức xác định công việc cụ thể theo phương pháp VIZIR. Phương pháp này xây dựng trên hệ thống tích hợp giữa thiết bị khảo sát tự động và trợ giúp của máy tính điện tử hệ thống để thu thập dữ liệu, phân loại hư hỏng, và đánh giá chất lượng mặt đường cả về mặt hư hỏng kết cấu và hư hỏng cấu tạo. Do đó, dựa trên các dữ liệu thu thập, khả năng chịu lực của kết cấu mặt đường, lưu lượng giao thông, chỉ tiêu đánh giá chất lượng thu được, … các nhà quản lý và kỹ thuật có thể quyết định giải pháp công việc bảo trì thích hợp cho từng vị trí hư hỏng nhất định. Dựa trên kết quả này nhà quản lý xác lập nên các gói thầu cho công tác bảo trì của các đoạn tuyến lựa chọn. - 4 - CHƯƠN G 1 TỔNG QUAN CHUNG VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Hệ thống giao thông đường bộ đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế và xã hội của quốc gia, tuy vậy việc đầu tư xây dựng hệ thống này tiêu tốn nguồn ngân sách rất lớn. Hiện nay, mạng lưới đường bộ đã tương đối hoàn thiện nhưng lại đang phải đối mặt với tình trạng hư hỏng và xuống cấp nghiêm trọng do việc tăng nhanh nhu cầu giao thông và hạn hẹp về nguồn vốn dành cho công tác bảo trì. Sự đầu tư và duy trì mạng lưới đường bộ luôn chiếm một tỷ trọng lớn trong ngân sách, trong khi chi phí cho bảo trì và xây dựng lại mặt đường chiếm gần một nửa tổng chi phí cho đường bộ (FHWA, 1987; Haas và cộng sự, 1994). N gân hàng Thế giới (1988) đã tiến hành khảo sát trên 85 nước đang phát triển trong suốt hai thập kỷ và cho thấy rằng khoảng 45 tỷ đôla đã tổn thất do việc thực hiện công tác bảo trì mạng lưới đường không chính đáng. Trong khi chỉ cần khoảng 12 tỷ đô la để thực hiện công tác bảo trì. Vai trò của công tác bảo trì càng trở nên quan trọng khi chi phí của nhà quản lý và người sử dụng đường được xem xét đồng thời. Các báo cáo kỹ thuật khác cũng chỉ ra những con số thống kê rằng nếu nhà quản lý bỏ ra 1 đôla cho công tác bảo trì thì người sử dụng sẽ tiết kiệm được 2 đến 3 đôla (N gân hàng Thế giới, 1988; N gân hàng Phát triển châu Á, 2003; N CHRP, 2004). N gày nay, mạng lưới đường bộ trên khắp thế giới đang chịu hư hỏng nặng nề do nhu cầu giao thông ngày càng tăng, trong khi đó chi phí để phát triển và bảo trì mạng lưới đường thì bị giảm đi ở các nước phát triển và bị hạn chế ở các quốc gia đang phát triển. Bởi vậy, những đề xuất giải pháp hiệu quả rất cần thiết để quản lý những vốn đầu tư vào hệ thống mặt đường, nhằm cho việc cung cấp những con đường không chỉ an toàn và thuận lợi, mà còn đem lại lợi ích lớn cho xã hội. Tại Việt N am, báo cáo Dự án N âng cấp Mạng lưới Quốc lộ Việt N am (RN IP, 2004) cho thấy, khoảng 40% mạng lưới đường quốc lộ ở tình trạng xấu và rất xấu. Trong khi đó, nguồn vốn hiện tại dành cho bảo trì mạng lưới chỉ vào khoảng 60% chi phí cần để duy trì mạng lưới đường ở điều kiện hiện có. Vấn đề này đã đặt ra những thách thức cho công tác quản lý và bảo trì hệ thống mặt đường sao có hiệu quả và kinh tế nhất trong điều kiện hạn hẹp về nguồn ngân sách. Việc xây dựng hệ thống quản lý mạng lưới đường hiệu quả phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, như là nguồn tài chính, cơ chế và chính sách quản lý, nguồn lực con người, và các vấn đề về kỹ thuật. Trong bài viết này chúng tôi sẽ đề cập đến vấn đề xây dựng chu - 5 - trình dựa trên phân tích kinh tế - kỹ thuật để xác định các công việc bảo trì một cách hiệu quả và thích hợp. Mô hình lựa chọn phương án (option evaluation system - OES) như Mô hình quản lý và phát triển đường bộ HDM-4 (Highway Development and Management System, HDM-4) được sử dụng rộng rãi cho việc trợ giúp đưa ra quyết định lựa chọn phương án bảo trì mạng lưới đường bộ ở cả các nước phát triển cũng như các nước đang phát triển trong suốt bốn thập kỷ qua. Hệ thống HDM-4 kế thừa từ mô hình HDM-3 đã được công nhận là mô hình lựa chọn phương án OES tiên tiến nhất trong việc nghiên cứu tính khả thi của dự án bảo trì đường bộ thông qua so sánh lợi ích kinh tế (ví dụ: Bhandari và cộng sự, 1987; N gân hàng Thế giới, 1988; Riley và cộng sự, 1994; Riley và Bennett, 1995; Liautaud và Faiz, 1996; Mushule và Kerali, 2001; Veerargavan và Reddy, 2003; Li và cộng sự, 2005; Đ.V. Hiệp và Tsunokawa, 2005; Jain và công sự, 2006). Hệ thống đánh giá lựa chọn (OESs) thường được kết hợp với hệ thống quản lý mặt đường trong cơ quan quản lý đường bộ để hỗ trợ đưa ra quyết định đầu tư ở ba cấp độ (mức độ chiến lược, chương trình, và dự án). Phân tích chiến lược liên quan đến việc đưa ra kế hoạch chiến lược để ước đoán chi phí cho phát triển và bảo trì mạng lưới đường dưới các kịch bản ngân sách khác nhau, trong khi phân tích chương trình đưa ra các công việc bảo trì đối với số đoạn tuyến được chọn. So sánh với phương pháp sử dụng ma trận đoạn tuyến (xem ví dụ, PIARC, 2002; Archondo-Callao, 2008), phương pháp “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” (Đ.V. Hiệp và Tsunokawa, 2010) có thể tăng tính chính xác bằng việc giữ lại những đặc trưng và các thông tin riêng biệt ở mỗi đoạn đồng nhất. Về mặt lý thuyết, không có sự khác biệt giữa việc “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” và phân tích chương trình. Do vậy, mục đích của nghiên cứu sẽ đề xuất cách thức ứng dụng “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” cho việc xác định kế hoạch công việc bảo trì mạng lưới đường bộ. Sự phân tích này sẽ xem xét toàn bộ mạng lưới đường thay vì xem xét các đoạn tuyến lựa chọn cho phân tích chương trình một cách chủ quan. Phân tích sử dụng mô hình HDM–4 kết hợp với mô hình EBM1 để thực hiện bài toán tối ưu mạng lưới và các công tác bảo trì tìm ra các giải pháp đem lại lợi ích lớn nhất cho xã hội trong điều kiện hạn chế về ngân sách và đảm bảo những điều kiện phục vụ nhất định của mạng lưới (Archondo-Callao, 1999). Tuy vậy, khi sử dụng phân tích kế hoạch công việc bảo trì, HDM-4 giải quyết bài toán tối ưu kinh tế–kỹ thuật của mạng lưới dưới góc độ vĩ mô và ấn định công việc bảo trì tiêu 1 Mô hình chi tiêu ngân sách (Expenditure Budgeting Model ) được phát triển bởi N gân hàng Thế giới (WB). - 6 - chuNn cho từng đoạn tuyến đồng nhất. Mức độ chính xác của phân tích không đi vào chi tiết công việc thực hiện và phụ thuộc rất nhiều vào cách thức tiếp cận của phân tích. Chính vì vậy, những phương pháp xác định cụ thể công tác bảo trì dựa trên các phân tích về kỹ thuật cần phải kết hợp nhằm trợ giúp và bảo đảm tính đúng đắn cho quá trình quyết định đầu tư. Một trong các phương pháp phổ biến cho công việc trợ giúp lựa chọn giải pháp công việc bảo trì là phương pháp VIZIR do Trung tâm thí nghiệm mặt đường cuả Pháp (LCPC) phát triển. Phương pháp này xây dựng trên hệ thống tích hợp giữa thiết bị khảo sát tự động và trợ giúp của máy tính điện tử hệ thống để thu thập dữ liệu, phân loại hư hỏng, và đánh giá chất lượng mặt đường. Dựa trên các dữ liệu thu thập, khả năng chịu lực của kết cấu mặt đường, lưu lượng giao thông, chỉ tiêu đánh giá chất lượng thu được, … các nhà quản lý và kỹ thuật có thể quyết định giải pháp bảo trì thích hợp cho từng vị trí hư hỏng nhất định. Hệ thống VIZIR được sử dụng phổ biến ở Pháp và các nước đang phát triển, đặc biệt cho các dự án đường bộ được tài trợ vốn bởi N gân hàng Thế giới. Tại Việt N am, VIZIR gần đây được sự dụng trong dự án bảo trì mạng lưới đường quốc lộ. Do vậy, mục tiêu tiếp theo của nghiên cứu sẽ trình bày phương thức kết hợp giữa kết quả từ mô hình HDM-4 và cách thức xác định công việc cụ thể theo phương pháp VIZIR. Trong các phần sau đây, chúng tôi sẽ đề xuất trình tự thực hiện phân tích theo mô hình HDM-4 nhằm xác định kế hoạch công tác bảo trì, tiếp theo là giới thiệu việc ứng dụng phương pháp VIZIR trong việc xác định công việc bảo trì cụ thể. Sau đó, chu trình đề xuất sẽ được áp dụng cho mạng lưới đường cụ thể ở Việt N am, và đưa ra các kết luận và kiến nghị cho việc ứng dụng trong công tác lập kế hoạch bảo trì mạng lưới mặt đường bộ. - 7 - CHƯƠN G 2 ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH THỰC HIỆN Các công việc được đưa ra bao gồm 3 mục : thu thập số liệu, phân tích tối ưu và chuNn bị các gói thầu như trong Hình 2.1 và các vấn đề cụ thể sau: 2.1 Thu thập số liệu Tổng chiều dài của mạng lưới đường trong “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” thông thường khoảng vài nghìn kilomet. Các hạng mục dữ liệu cần thu thập tùy theo mô hình lựa chọn phương án - OES sử dụng. Thông thường, các mô hình lựa chọn phương án yêu cầu một lượng dữ liệu rất lớn cho mỗi phân đoạn tuyến. Ví dụ, mô hình HDM-4 cần 159 hạng mục cho một phân đoạn tuyến đường (xem Bảng 1), mô hình HERS-ST ứng dụng phổ biến tại Mỹ yêu cầu 64 hạng mục. 2.2 Phân tích tối ưu “Phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” sử dụng mô hình lựa chọn phương án như là HDM-4 đã được Đ.V. Hiệp và Tsunokawa (2010) phát triển và giới thiệu. Trong các phần sau đây, chúng tôi sẽ phát triển và nhấn mạnh cho việc ứng dụng trong công tác xác định kế hoạch bảo trì mạng lưới mặt đường cho từng năm hoặc nhiều năm liên tiếp. Bước 1: Chuẩn bị số liệu Các dữ liệu được cân nhắc đưa ra tùy theo điều kiện của mỗi “mô hình lựa chọn phương án”. Các tham số còn lại có thể xác định căn cứ vào các kết quả phân tích tương quan giữa các dữ liệu . “Mô hình lựa chọn phương án” cần được hiệu chỉnh cho phù hợp với từng vùng khác nhau nhằm mục đích tăng độ tin cậy khi thực hiện các phân tích. Bước 2 : Xác định các đoạn đồng nhất Xác định các đoạn đồng nhất là một trong những khâu quan trọng nhất trong phương pháp “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất”. Công tác xác định đoạn đồng nhất càng chính xác sẽ giúp cho công tác xác định công việc hoặc xác lập các gói thầu bảo trì được thích hợp hơn. Các đoạn đồng nhất được tạo ra trên cơ - 8 - sở các đặc trưng của tuyến đường. Điều kiện biên giữa hai đoạn liên tiếp được định nghĩa khi có sự khác biệt vượt giá trị định trước đối với một hoặc nhiều tham số quy định. Các tham số đặc trưng quan trọng thường được xem xét như là: tên đường, cấp hạng đường, vùng khí hậu, loại tốc độ dòng xe, kiểu dòng giao thông, loại bề mặt đường, loại vật liệu bề mặt đường, lưu lượng giao thông, và độ gồ ghề của mặt đường. Đoạn đồng nhất ngắn sẽ gây khó khăn cho việc thực hiện các công tác bảo trì ngoài công trường và các đoạn này cần được kiểm tra theo điều kiện sau: Njll j ...,,2,1,min =≥ (1) Trong đó, lj là độ dài của đoạn tuyến, j; N là tổng số đoạn tuyến sau khi thực hiện đồng nhất các đoạn tuyến; và lmin là độ dài nhỏ nhất của các đoạn tuyến đảm bảo công tác bảo trì được thuận lợi. N ếu điều kiện (1) không thỏa mãn, công tác đồng nhất các đoạn tuyến cần phải tiến hành lại thông qua việc thay đổi các bước nhảy thích hợp khi thực hiện phân đoạn. N goài ra, các đoạn tuyến đồng nhất có chiều dài lớn cũng sẽ gây ra những vấn đề tồn tại trong quá trình thực hiện phân tích như được trình bày kỹ ở Bước 4. Bước 3 : Xác định các phương án bảo trì thích hợp cho phân tích Công việc xác định các phương án bảo trì thích hợp cho các phân đoạn tuyến có vị trí quan trọng trong phương pháp “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” và được thực hiện theo các bước sau: Bước 3.1: Xác định các đoạn tuyến đại diện Các đoạn tuyến đồng nhất đại diện thường được xác định bằng cách phân tích mức độ phân bố của mạng lưới đường theo các điều kiện mặt đường và mức độ giao thông. Các giá trị hoặc tham số của các đoạn đại diện được lấy từ những nhóm đoạn đường tương ứng thông qua bình quân trọng số hoặc các đặc điểm mang tính phổ biến. Trọng số có thể sử dụng là chiều dài của mỗi đoạn đồng nhất. Bước 3.2: Xác định các phương án bảo trì tối ưu cho các đoạn tuyến đại diện N hững phương án bảo trì tối ưu cho từng đoạn tuyến đồng nhất đại diện được xác định thông qua phân tích chí phí vòng đời dự án với điều kiện ngân sách không bị hạn chêc và trong khoảng thời gian định sẵn. Phân tích này khuyến nghị sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô hình lựa chọn phương án và lý thuyết tối ưu theo đường dốc (GSOE) được phát triển bởi Đ.V. Hiệp và Tsunokawa (2006). Trong trường hợp, nhiều hình thức công việc bảo trì được sử dụng, thì sẽ sử dụng phương pháp (GCOSM) được phát triển bởi Đ.V. Hiệp và Tsunokawa (2010) cho phân tích xác định phương án bảo trì tối ưu cho các đoạn tuyến đại diện. - 9 - Bước 3.3: Phát sinh các phương án bảo trì thích hợp cho phân tích Khi các đoạn tuyến đồng nhất là giá trị “bình quân” đại diện cho nhóm đoạn tuyến, nguyên tắc cơ bản để xác lập phương án duy tu thích hợp cho mỗi nhóm đoạn tuyến là chọn các phương án rẻ tiền và đắt tiền hơn xung quanh phương án tối ưu. Việc lựa chọn này là công việc khó khăn do có rất nhiều cách để định ra phương án rẻ hoặc đắt tiền hơn dựa theo thời gian, mức độ bảo trì (như là chiều dày lớp phủ) hoặc việc thay đổi ngưỡng của độ gồ ghề đối với các phương án duy tu theo hình thức đáp ứng theo điều kiện đường. Tuy nhiên, cách thức này sẽ dẫn đến một số lượng lớn các phương án gây nên việc phân tích rất cồng kềnh khi mà số đoạn tuyến trong phân tích là nhiều. Bước 4 : Chia nhỏ các đoạn đồng nhất. Chiều dài của mỗi đoạn đồng nhất có thể ảnh hưởng đến kết quả của phân tích chiến lược dưới nguồn ngân sách hạn hẹp. Một đoạn tuyến dài cho ra giá trị N PV cao hơn có thể thay thế bằng một đoạn ngắn hơn với giá trị N PV thấp hơn nhưng nó đáp ứng được nhu cầu về nguồn vốn hạn hẹp. Trong trường hợp này các đoạn đồng nhất với kinh phí quá lớn sẽ được chia nhỏ ra. Các tiêu chí để kiểm tra các đoạn này được trình bày như sau: Nj b bj ...,,2,1, =≤γ (2) Trong đó, bj là tổng ngân sách yêu cầu cho đoạn tuyến thứ j qua thời gian định sẵn Tp với phân tích không hạn chế nguồn vốn, N là tổng số các đoạn tuyến đồng nhất thu được từ Bước 2, và γ (%) là tiêu chí được xác định bởi người phân tích dựa trên các yêu cầu của công việc. Các đoạn được chia nhỏ cũng phải đáp ứng biểu thức (2). Bước 5 : Phân tích chiến lược. Phân tích chiến lược là việc sử dụng “phân tích chiến lược sử dụng các đoạn đồng nhất” để xác định danh sách các đoạn tuyến đảm bảo có tổng N PV tối ưu nhất trong số tất cả các tổ hợp đoạn tuyến đảm bảo thỏa mãn về điều kiện hạn hẹp ngân sách. 2.3. Chuẩn bị phân chia các gói thầu. Việc phân tích