Nghiên cứu thiết kế bình đồ đường ô tô cao tốc bằng phương pháp tuyến Clothoid dựa trên quan điểm về an toàn giao thông

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 197 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN CLOTHOID DỰA TRÊN QUAN ĐIỂM VỀ AN TOÀN GIAO THÔNG STUDYING TO DESIGN PLAN OF EXPRESSWAY WITH PRINCIPLE OF CLOTHOID ROAD AND SAFENESS OF TRAFFIC CRITERIONS SVTH: NGÔ ĐỨC THỊNH Lớp 03X3C, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng GVHD: GVC.TS. PHAN CAO THỌ Khoa XD Cầu Đường,Trường ĐH Bách khoa, ĐHĐN TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô cao tốc theo nguyên tắc và nội dung của phương pháp tuyến Clothoid, phân tích ảnh hưởng các thông số thiết kế tuyến trên bình đồ đến an toàn xe chạy, đề xuất các chỉ tiêu đánh giá chất lượng tuyến thiết kế dựa trên quan điểm về an toàn giao thông. Từ cơ sở lý thuyết đó, nghiên cứu xây dựng phần mềm PEDP (Plan of Expressway Design Program) viết bằng công nghệ kết hợp ngôn ngữ lập trình Visual Basic.NET và Autolisp chạy trong môi trường Microsoft.NET Framework và AutoCAD 2K-2K04 để thực hiện thiết kế kỹ thuật bình đồ tuyến, đánh giá chất lượng tuyến thiết kế theo các tiêu chí về an toàn giao thông, kết xuất trực tiếp với phần mềm thiết kế đường bộ hiện hành Nova- TDN của Công ty Hài Hoà để thiết kế trắc dọc, trắc ngang, dựng hình phối cảnh của tuyến Clothoid thiết kế. ABSTRACT The theme studies designing plan of expressway with principle of Clothoid road, analyses the affect from design parameters's plan of road to safeness of traffic. On the basic of those theories, the study of writing a program PEDP (Plan of Expressway Design Program) run by programming languages Visual Basic.NET and Autolisp to use for technical design plan of road, and to evaluate the quality of road designed with safeness of traffic criterions also to connect running Nova-TDN software of Hai Hoa company designing road profile, cross section and perspective Clothoid road. 1. Giới thiệu chung Đặt vấn đề: Xây dựng đường ô tô cao tốc là xu thế tất yếu của một nền kinh tế phát triển, các nước tiên tiến đã cơ bản xây dựng hoàn chỉnh mạng lưới đường ô tô cao tốc. Đối với Việt Nam, xây dựng và phát triển hệ thống đường bộ cao tốc chính là tiền đề cho phát triển kinh tế xã hội cũng như cho công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước. Vì vậy việc phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng này đang trở nên cấp bách trong giai đoạn hiện nay. Sự phát triển hệ thống đường ô tô cao tốc cũng đồng nghĩa với yêu cầu về thiết kế và xây dựng một tuyến đường ô tô đạt chất lượng cao, tính tiện nghi, thuận lợi, tốc độ cao, xe chạy an toàn đồng thời tuyến đường thoả mãn tốt nhất sự hài hoà với địa hình tự nhiên, tức là sẽ có sự đòi hỏi cao hơn cả về mặt kỹ thuật cũng như mỹ thuật của tuyến đường. Bước thiết kế tuyến trên bình đồ là khâu đầu tiên đặt nền móng khai sinh ra tuyến đường, có vai trò quan trọng đối với chất lượng của đường ô tô. Nếu vẫn thiết kế tuyến theo những nguyên tắc thông thường như từ trước đến nay sẽ không đáp ứng được đầy đủ những đòi hỏi trên. Xem xét nghiên cứu một phương pháp thiết kế tuyến sao cho thoả mãn được các yêu cầu, đồng thời đánh giá được chất lượng của tuyến thiết kế là hết sức cần thiết trong công tác thiết kế đường ô tô hiện nay. Từ những lí do đó, đề tài “Nghiên cứu thiết kế bình đồ đường ô tô cao tốc bằng phương pháp tuyến Clothoid dựa trên quan điểm về an toàn giao thông” Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 198 hình thành nhằm góp phần phục vụ cho công tác tư vấn thiết kế các công trình đường ô tô cao tốc, đường cấp cao ở nước ta hiện nay. Mục đích và ý nghĩa của đề tài: - Trình bày tổng quan một số vấn đề khi thiết kế tuyến đường ô tô cao tốc, nhằm cung cấp thông tin cần thiết cho người kỹ sư thiết kế đường thực hiện công tác này. - Đặt vấn đề, nêu lên cơ sở lí luận, trình bày nội dung phương pháp thiết kế tuyến Clothoid. - Phân tích ảnh hưởng của các thông số thiết kế tuyến trên bình đồ đến an toàn xe chạy làm cơ sở lí luận đề xuất đánh giá chất lượng của đồ án thiết kế tuyến thông qua các chỉ tiêu về bảo đảm an toàn giao thông. - Xây dựng chương trình phần mềm ứng dụng thiết kế tuyến Clothoid trên bình đồ, đánh giá chất lượng của tuyến thiết kế bằng các tiêu chí về an toàn giao thông. - Góp phần phục vụ công tác tư vấn thiết kế các công trình đường ô tô cao tốc, đường cấp cao ở nước ta hiện nay. Phương pháp, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết phương pháp thiết kế tuyến Clothoid trên bình đồ. - Phân tích lý thuyết ảnh hưởng các thông số thiết kế tuyến trên bình đồ đến an toàn xe chạy, lí luận đánh giá chất lượng tuyến thiết kế bằng các tiêu chí về an toàn giao thông. - Nghiên cứu quá trình thực hiện thiết kế thực tế các tuyến đường ô tô cao tốc đã thực hiện, tìm hiểu tính năng ứng dụng của các phần mềm thiết kế đường bộ hiện hành. - Xây dựng sơ đồ khối tổng quát, triển khai các thuật toán chi tiết, sử dụng giải pháp công nghệ phần mềm viết thành chương trình ứng dụng thiết kế tuyến Clothoid trên bình đồ, đánh giá chất lượng tuyến thiết kế bằng theo tiêu chí về an toàn giao thông, kết xuất trực tiếp với phần mềm Nova-TDN để tiếp tục thiết kế hoàn thiện tuyến Clothoid. - Đối tượng nghiên cứu là các nội dung thiết kế kỹ thuật tuyến đường ô tô cao tốc. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là bước thiết kế bình đồ tuyến. 2. Nội dung nghiên cứu Tổng quan một số vấn đề khi thiết kế đường ô tô cao tốc: Đề tài phân tích, tổng hợp làm rõ một số vấn đề nhằm cung cấp những thông tin cần thiết cho người kỹ sư thiết kế đường khi thiết kế đường ô tô cao tốc như: khái niệm về đường ô tô cao tốc, phân biệt giữa đường ô tô cao tốc và đường ô tô, tốc độ thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô cao tốc. Nghiên cứu phương pháp thiết kế tuyến Clothoid trên bình đồ: - Đề tài trình bày nội dung cơ sở thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô cao tốc theo TCVN 5729-1997, cơ sở lựa chọn đường cong Clothoid làm đường cong chuyển tiếp trên đường ô tô làm cơ sở lí luận cho nội dung “phương pháp thiết kế tuyến Clothoid” + Thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô cao tốc theo TCVN 5729-1997 chính là nguyên tắc thiết kế tuyến thông thường thực hiện từ trước đến nay, tuyến trên bình đồ tạo thành bởi 3 yếu tố hình học: đường thẳng, đường cong tròn và đường cong chuyển tiếp nối đường thẳng với đường cong tròn. Việc thiết kế những yếu tố này tuân thủ theo những quy định và chỉ dẫn của TCVN 5729-1997. + Sử dụng đường cong Clothoid làm đường cong chuyển tiếp là xuất phát từ việc phân tích ổn định xe chạy trên đường cong nhằm đảm bảo cho sự tăng dần của gia tốc ly tâm, từ đó thiết lập được dạng phương trình đường cong chuyển tiếp, và đường cong Clothoid ở toạ độ cực có phương trình hoàn toàn phù hợp với dạng này. Thiết kế tuyến thông thường theo TCVN 5729-1997 thì đường cong Clothoid chỉ là một yếu tố phụ chuyển tiếp từ đường thẳng vào đường cong tròn, nên chưa xem xét một cách toàn diện vai trò của đường cong Clothoid khi thiết kế tuyến trên bình đồ. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 199 - Đề tài đặt vấn đề thiết kế tuyến Clothoid xuất phát từ kết quả nghiên cứu ở các nước về quá trình thụ cảm thị giác của lái xe khi xe đang chạy trên đường, dựng hình phối cảnh từng đoạn tuyến và xây dựng phương pháp thiết kế không gian cho đường ô tô, thì tuyến được cấu tạo bởi các đoạn đường cong Clothoid liên kết với nhau và liên kết với các đường cong sẽ tạo thành một tuyến không gian thoả mãn tốt nhất về độ bằng phẳng quang học, êm thuận về mặt thị giác, lái xe có thể yên tâm cho xe chạy an toàn với tốc độ cao, tuyến đường uốn lượn theo địa hình không phá vỡ cảnh đẹp thiên nhiên, đi qua được những vị trí mong muốn, từ chỗ được một tuyến “cứng” trở thành một tuyến “mềm” lượn theo địa hình. - Khi đường cong Clothoid trở thành một yếu tố thiết kế độc lập thì những nguyên tắc thiết kế thông thường bị thay đổi, chiều dài các đường cong chuyển tiếp dạng Clothoid lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn quy định hiện nay cho cấp hạng kỹ thuật của đường thiết kế, và được xác định không xuất phát từ điều kiện cho phép về độ tăng hệ số gia tốc ly tâm mà từ yêu cầu đều đặn của tuyến trong không gian, an toàn xe chạy với tốc độ cao, tuyến thiết kế phải là một đường không gian đều đặn với các chỉ tiêu kỹ thuật thay đổi từ từ. Những nội dung này đều được đề tài nêu rõ, chẳng hạn vạch tuyến với góc chuyển hướng không được nhỏ hơn 30, chiều dài đường cong Clothoid không nhỏ hơn 1/4 chiều dài đường cong tròn, thông số Clothoid A thay đổi trong phạm vi từ 0,4R đến 1,4R và phụ thuộc vào góc chuyển hướng, cắm đường cong Clothoid dưới dạng toạ độ vuông góc: ... 599040345640 12 13 8 9 2 5  A S A S A S Sx ... 9676800422403366 14 15 10 11 6 7 2 3  A S A S A S A S y Đề xuất đánh giá chất lượng đồ án thiết kế tuyến trên bình đồ dựa trên các chỉ tiêu về bảo đảm an toàn giao thông: - Cơ sở lí luận của đề tài xuất phát từ kết quả nghiên cứu ở các nước khác nhau trên thế giới (CHLB Đức, Mỹ, Canada, Nga, Anh, Pháp,...) về an toàn giao thông đường ô tô theo nhiều thông số khác nhau và quan hệ giữa các thông số này như: Vận tốc thiết kế Vd ; vận tốc khai thác ứng với suất bảo đảm 85% V85; hệ số thay đổi độ ngoặt của đường cong CCRs, quan hệ giữa các đường cong thiết kế kề liền; quan hệ giữa từng đường cong riêng biệt với trị số thay đổi độ cong toàn tuyến, vấn đề bảo đảm ổn định động lực cho xe chạy an toàn trên đường cong thông qua sự chênh lệch hệ số lực ngang xuất hiện khi xe chạy trên đường cong có bố trí siêu cao với tốc độ khai thác V85 (fRD) so với hệ số lực ngang thiết kế (fRA). Kết quả khảo sát với các tuyến đường thuộc nhóm tốc độ thiết kế Vd=80÷120km/h, trong nhiều năm với sự tham gia của nhiều nhà nghiên cứu, các chuyên gia đầu ngành ở nhiều nước, đưa ra ba tiêu chuẩn về an toàn giao thông để đánh giá chất lượng của một đồ án thiết kế tuyến. Trong đó, tiêu chuẩn thứ nhất bảo đảm cho đồ án thiết kế tuyến đạt chất lượng tốt, tiêu chuẩn thứ hai bảo đảm đạt được tốc độ khai thác mong muốn với suất bảo đảm 85% và tiêu chuẩn thứ ba để bảo đảm an toàn về mặt ổn định động học của ô tô khi xe chạy vào đường cong nhằm nâng cao an toàn cho lái xe và hành khách. - Dựa trên cơ sở lí luận đó, đề tài phân tích ảnh hưởng của các các thông số thiết kế tuyến trên bình đồ đến an toàn xe chạy. Đề xuất đánh giá chất lượng của đồ án thiết kế tuyến trên bình đồ thông qua các tiêu chí về an toàn giao thông, với cơ sở để đánh giá như sau: Các chỉ tiêu để đánh giá Kết luận về chất lượng đồ án thiết kế TỐT CHẤP NHẬN ĐƯỢC XẤU, KÉM Theo tiêu chuẩn an toàn thứ nhất 85i dV V ≤ 10 10 < 85i dV V ≤ 20 > 20 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 200 si sCCR CCR ≤ 180 180 < si sCCR CCR ≤ 360 > 360 Theo tiêu chuẩn an toàn thứ hai 85 85 1i iV V  ≤ 10 10 < 85 85 1i iV V  ≤ 20 > 20 1si siCCR CCR  ≤ 180 180 < 1si siCCR CCR  ≤360 > 360 Theo tiêu chuẩn an toàn thứ ba CCRsi ≤ 180 180 360 i RAi RDif f f   ≥ 0,01 -0,04 ≤ if < 0,01 < -0,04 Xây dựng phần mềm thiết kế bình đồ đường ô tô cao tốc bằng phương pháp tuyến Clothoid dựa trên quan điểm về an toàn giao thông: - Đề tài đặt vấn đề nghiên cứu khi thấy rằng, các phần mềm thiết kế đường ô tô chuyên dụng ở nước ta hiện nay vẫn chưa có những phiên bản hay phát triển các modul dành riêng thích hợp cho việc thiết kế tuyến đường ôtô cao tốc. Thực hiện thiết kế bình đồ tuyến theo phương pháp tuyến Clothoid (nếu có) còn mang tính thủ công thực hiện khó khăn phức tạp. Với cơ sở lý thuyết của đề tài nghiên cứu hoàn toàn có thể xây dựng được Chương trình phần mềm ứng dụng thiết kế bình đồ bằng phương pháp tuyến Clothoid, đánh giá chất lượng tuyến thiết kế dựa trên quan điểm an toàn giao thông, là những modul hoàn toàn chưa có trong Nova-TDN cũng như các phần mềm thiết kế đường chuyên dụng hiện nay. Với mong muốn góp phần cùng các kỹ sư thiết kế đường tiếp cận với công tác tư vấn thiết kế các công trình đường ô tô cao tốc, đường cấp cao ở nước ta hiện nay. Phần mềm PEDP (Plan of Expressway Design Program) được xây dựng bằng công nghệ kết hợp ngôn ngữ lập trình Visual Basic.Net và Autolisp. - Sơ đồ khối tổng quát thiết kế phần mềm PEDP: ĐẠT KHÔNG ĐẠT Nhập các thông số thiết kế tuyến Clothoid. Tính toán thông số 3 tiêu chuẩn về ATGT. Đánh giá theo 3 tiêu chuẩn về ATGT. Tính toán các thông số, vẽ tuyến Clothoid. - Xuất file bản vẽ BD tuyến. - Xuất bảng toạ độ cắm cong. - Xuất file *.ntd Liên kết sử dụng phần mềm Nova – TDN Vẽ Trắc dọc tự nhiên. Thiết kế TD, TN, tính khối lượng…bằng Nova-TDN . Kết thúc. Nhập số liệu địa hình. Đọc file *ntd. Dựng phối cảnh tuyến Clothoid thiết kế bằng Nova-TDN. Bắt đầu. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 201 - Một số hình ảnh ứng dụng phần mềm PEDP thiết kế bình đồ tuyến: Nhập số liệu thiết kế Tính tọa độ nhánh, tọa độ toàn tuyến Tính các thông số đường cong Đánh giá chất lượng tuyến thiết kế Tự động vẽ bình đồ tuyến Xuất dữ liệu sang Nova-TDN Kết quả ứng dụng phần mềm PEDP thiết kế tuyến đường cao tốc Láng – Hoà Lạc phân đoạn KM22-KM26: Đơn vị Tư vấn Thiết kế là Tổng Công ty Tư vấn thiết kế GTVT (TEDI), thiết kế phân đoạn KM22- KM26 chuyển hướng tại hai đỉnh với hai đường cong tròn bán kính R1=1000m và R2=2000m. Dùng phần mềm PEDP thiết kế lại tại mỗi đỉnh bằng hai đường cong Clothoid nối tiếp đối xứng cũng với bán kính R1=1000m và R2=2000m, kết quả bình đồ tuyến Clothoid phân đoạn KM22-KM26 như hình vẽ, và thoả mãn tốt nhất các tiêu chí về an toàn giao thông. 3. Kết luận và kiến nghị: Kết luận: - Đề tài cung cấp một số một số thông tin cần thiết cho người kỹ sư thiết kế đường khi thiết kế đường ô tô cao tốc. Cung cấp cơ sở lý luận và nội dung phương pháp thiết kế tuyến Clothoid, đánh giá chất lượng đồ án thiết kế tuyến theo các tiêu chí về an toàn giao thông. - Xây dựng Chương trình phần mềm ứng dụng thiết kế bình đồ đường ô tô cao tốc bằng phương pháp tuyến Clothoid, đánh giá chất lượng tuyến thiết kế theo các tiêu chí về an toàn giao thông, kết xuất trực tiếp với phần mềm Nova-TDN của Công ty hài Hoà để thiết kế trắc dọc, trắc ngang, dựng phối cảnh cho tuyến Clothoid thiết kế. - Kết quả ứng dụng của đề tài đưa vào phục vụ cho công tác tư vấn thiết kế các công trình đường ô tô cao tốc, đường cấp cao ở nước ta hiện nay. Kiến nghị: - Ứng dụng phần mềm PEDP thiết kế kỹ thuật tuyến đường ô tô cao tốc bằng phương pháp tuyến Clothoid dựa trên quan điểm về an toàn giao thông. Đề tài sẽ tiếp tục nghiên cứu Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 202 để phát triển PEDP thành một chương trình phần mềm chuyên dụng phục vụ cho công tác thiết kế đường ô tô cao tốc. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Vinh (2007), Thiết kế và khai thác Đường ô tô - Đường thành phố theo quan điểm an toàn giao thông, Nxb Xây dựng, Hà Nội. [2] Nguyễn Xuân Vinh (2006), Phương pháp thiết kế tuyến Clothoid cho đường ô tô cao tốc, Nxb Xây dựng, Hà Nội. [3] Trương Đình Giai, hiệu đính: Nguyễn Quang Chiêu (2002), Thiết kế tuyến đường ô tô cao tốc, Nxb Giao thông Vận tải, Hà Nội. [4] Dương Học Hải (2001), Thiết kế đường cao tốc, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.