thiết kế bình đồ đường ô tô cao tốc theo quan điểm an toàn giao thông và mỹ học công trình

THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC THEO QUAN ĐIỂM AN TOÀN GIAO THÔNG VÀ MỸ HỌC CÔNG TRÌNH EXPRESSWAY PLANNING ON THE PRINCIPLE OF CLOTHOID ROAD AND SAFETY OF TRAFFIC CRITERA Phan Cao T

THIẾT KẾ BÌNH ĐỒ ĐƯỜNG Ô TÔ CAO TỐC THEO QUAN ĐIỂM

AN TOÀN GIAO THÔNG VÀ MỸ HỌC CÔNG TRÌNH

EXPRESSWAY PLANNING ON THE PRINCIPLE OF CLOTHOID ROAD AND

SAFETY OF TRAFFIC CRITERA

Phan Cao Thọ

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Ngô Đức Thịnh

Học viên cao học khoá 2008-2010

TÓM TẮT

Bài báo trình bày phương pháp thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô cao tốc theo đường cong Clothoid, đồng thời đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng bình đồ tuyến thiết kế trên quan điểm an toàn giao thông và thẩm mỹ của tuyến đường Một phần mềm thiết

kế kỹ thuật tuyến Clothoid được xây dựng giúp cho các Kỹ sư thiết kế có được nhiều phương

án lựa chọn thông qua nhóm các chỉ tiêu đảm bảo an toàn giao thông và mỹ học Kết quả nghiên cứu với mong muốn áp dụng hiệu quả cho đường ôtô cao tốc, đường cấp cao nói chung

ở nước ta hiện nay

ABSTRACT

This article presents a method for designing the plan of an expressway with Clothoid curve and deals with the technological parameters for assessing the quality of designed road plan based on traffic safety and highway aesthetics A software is made to design Clothoid’s technologies, which helps designing engineers to select a variety of plans through a number of targets on ensuring the road’s traffic safety and aesthetics It is hoped that this research can be effectively applied to expressway and high-level street planning in our country nowadays

1 Đặt vấn đề

Phát triển hệ thống đường bộ cao tốc đồng nghĩa với đòi hỏi phải thiết kế và xây dựng một tuyến đường ôtô đạt chất lượng cao, thể hiện qua tính tiện nghi, thuận lợi, xe chạy an toàn, tốc độ cao, đồng thời tuyến đường thoả mãn tốt nhất sự hài hoà với địa hình tự nhiên hay nói khác là phải có tính thẩm mỹ cao tương ứng với đồng tiền mà chúng ta phải bỏ ra để xây dựng đường Bước thiết kế bình đồ có ý nghĩa khai sinh ra tuyến đường, góp phần quan trọng đối với chất lượng của đường khi đưa vào khai thác sử dụng Nếu vẫn thiết kế bình đồ tuyến theo những nguyên tắc thông thường như từ trước đến nay, sẽ không đáp ứng được đầy đủ đòi hỏi trên Việc xem xét, nghiên cứu phương pháp thiết kế bình đồ 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 đối với công tác thiết kế đường ôtô cấp cao nói chung và với đường ô tô cao tốc nói riêng Với những lí do đó, bài viết trình bày các kết quả nghiên cứu bước đầu về phương pháp thiết kế bình đồ tuyến Clothoid và đánh giá chất lượng tuyến thiết kế từ quan điểm đảm bảo an toàn giao thông cũng như tính

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

thẩm mỹ của công trình, xây dựng phần mềm thiết kế với mong muốn đưa kết quả vào áp dụng cho đường ôtô cao tốc, đường ôtô cấp cao ở nước ta hiện nay”

2 Các kết quả nghiên cứu

2.1 Cơ sở lý thuyết:

Thiết kế bình đồ tuyến theo TCVN 4054-05 hay TCVN 5729-97 là nguyên tắc thiết kế tuyến thông thường vẫn được các kỹ sư ở các đơn vị Tư vấn thiết kế nước ta nhập tâm và thực hiện từ trước đến nay Tuyến trên bình đồ được tạo thành bởi 3 yếu tố hình học là đường thẳng, đường cong tròn và đường cong chuyển tiếp, trong đó đoạn chuyển tiếp thường sử dụng đường cong Clothoid Với nguyên tắc đó, đoạn chuyển tiếp Clothoid chỉ là yếu tố phụ chiếm một chiều dài ngắn, vì chỉ xem là một yếu tố phụ nên người thiết kế chỉ việc áp dụng đường cong này làm đường cong chuyển tiếp trong phạm vi các bán kính giới hạn theo đúng quy trình quy phạm, hoàn toàn không cần quan tâm đến các vấn đề khác Thực tế trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cảm thụ thị giác của lái xe khi xe đang chạy trên đường, người ta đã dựng hình phối cảnh của từng đoạn tuyến và xây dựng phương pháp thiết kế không gian cho đường ôtô Kết quả cho thấy rằng, tuyến được cấu tạo bởi các đường cong Clothoid liên kết với nhau và liên kết với các đường cong tròn sẽ tạo thành một tuyến đường trong 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 một cách hài hoà theo địa hình không phá vỡ cảnh quan, đi qua được những vị trí mong muốn, và

từ chỗ được một tuyến “cứng” nay trở thành một tuyến “mềm” lượn theo địa hình 1[1]:

2

1

2

3

3 3

“Tuyến cứng” “Tuyến mềm”

Hình 1 Sử dụng các đường cong trong thiết kế bình đồ

Xây dựng thành công một tuyến đường ôtô cao tốc cũng đồng nghĩa với nâng cao tính an toàn giao thông (ATGT) cũng như đạt được tính thẩm mỹ của con đường Hiện nay ở nước ta vấn đề ATGT đang là một vấn đề được cả xã hội đặc biệt quan tâm,

để nâng cao tính ATGT của một tuyến đường người ta chỉ chú trọng vào việc cải tạo hoặc nghiên cứu giải pháp tổ chức giao thông trên tuyến đường đó, mà chưa hề quan tâm, xem xét kỹ ở ngay bước thiết kế bình đồ tuyến Việc thẩm định hồ sơ thiết kế của Chủ đầu tư ở Bộ, Sở cũng chưa xét tới chất lượng của đồ án thiết kế tuyến đảm bảo tính ATGT, dẫn đến người thiết kế chỉ việc lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật một cách máy móc theo những quy định và chỉ dẫn của tiêu chuẩn, quy phạm Trong khi đó, các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế bình đồ tuyến có ảnh hưởng rất lớn đến an toàn xe chạy, đặc biệt là việc

lựa chọn bán kính đường cong nằm, chiều dài, góc ngoặt, mức độ thay đổi độ ngoặt, quan hệ giữa các bán kính cong kề liền, vị trí và tần suất bố trí các đường cong trên bình

đồ, bố trí siêu cao trên đường cong,…Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và khảo sát thực nghiệm ở các nước khác nhau như Đức, Mỹ, Canada, Nga, Anh, Pháp [1,6,7] về ảnh hưởng của các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế bình đồ đến ATGT như hệ số thay đổi độ ngoặt đường cong, quan hệ giữa từng đường cong riêng biệt với 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

so với hệ số lực ngang thiết kế

2.2 Kết quả nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thiết kế bình đồ tuyến Clothoid

2.2.1.1 Đặc điểm đường cong Clothoid trong thiết kế bình đồ tuyến:

(i) Có dạng phương trình toán học thoả mãn tốt nhất vai trò đường cong chuyển tiếp:

R = ∞

1

L

V t

V R

1

1 2

3

1

3

4

4

Hình 2 Sự thay đổi của lực ly tâm khi xe vào

đường cong, khi có và không có đường cong

chuyển tiếp.

L

α1

α2 α α

Hình 3 Mô phỏng điều kiện xe chạy trên đường

cong chuyển tiếp Thiết lập được phương trình

dạng toạ độ cực:

ρ

C

S= , S=L,

ρ=R →

R

C

L= → C = R×L (1)

0

4 5 0

x

3

1

2

y

Hình 4 Các dạng đường cong toán học có thể

thoả mãn được nhiều hay ít phương trình (1):

1-Đường xoắn ốc bức xạ Clothoid;

2-Đường Parabol bậc ba;

3-Đường hoa thị Lemniscat Becnulli.

R = ∞

4 5 0

x

R = 0

+ L

- L

y

Hình 5: Đường cong Clothoid có phương trình

dạng toạ độ cực:

S

2

A

=

Đặt: A 2 = C = R×L → A= C = R.L (2) Phương trình (2) hoàn toàn phù hợp với (1).

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

o

Clothoid

Duon

g c

ong

Duong thang

p R

R

T M y0 L

x 0

T a t

β

β

Hình 8 Sơ đồ các yếu tố của Clothoid

(ii) Có hình dạng toán học (Hình 5) thể hiện đặc tính ưu việt trong thiết kế tuyến:

- Bán kính cong thay đổi dần từ ρ=∞ đến ρ=R, tạo cho đường cong Clothoid có dạng như một đường cong thẳng Bố trí siêu cao sẽ tạo nên sự cân bằng giữa các thành phần lực ly tâm và trọng lượng thành phần của ôtô, giúp lái xe giữ được quỹ đạo mong muốn

- Độ cong thay đổi liên tục, tạo cho đường cong Clothoid khả năng theo bám địa hình.Có thể tránh được những vị trí đào sâu, đắp cao, những nơi địa chất không tốt, đi qua được các điểm mong muốn, cho phép triển khai tuyến theo địa hình “rất tự nhiên”

- Các bán kính cong lớn và thay đổi, tạo cho đường cong Clothoid khả năng uốn lượn liên tục một cách mềm mại Cải thiện tầm nhìn của lái xe nhất là xe chạy ngược chiều, lái xe yên tâm điều khiển xe chạy với tốc độ lớn nhất và nâng cao an toàn xe chạy

2.2.1.2.Phạm vi sử dụng đường cong Clothoid trong thiết kế bình đồ tuyến:

L 3

L 2

L 1

β 3

β 2

β 1

A1 < A2 < A3

Hình 6 Các đường cong Clothoid có chiều dài L,

thông số A khác nhau, nhưng đồng dạng về mặt hình

học và L thay đổi tỷ lệ thuận với A, cho phép xác lập

các điểm đặc trưng Clothoid

2

1

0,5

0,71

0,0 8,0 5,0 4,0 3, 0

β = 0,5rad

Hình 7 Các điểm đặc trưng của Clothoid

Chỉ sử dụng đường cong Clothoid với độ cong phù hợp trong đoạn từ điểm đặc trưng

1 đến 4 (β = 0,5)

2.2.1.3 Nguyên tắc thiết kế tuyến Clothoid: Thay thế các đường thẳng bằng đường cong

tròn bán kính lớn kết hợp với các đường cong Clothoid Sử dụng đường cong Clothoid

có chiều dài lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn đường cong chuyển tiếp, đường cong Clothoid bây giờ được xác định không chỉ xuất phát từ điều kiện cho phép về độ tăng hệ

số gia tốc ly tâm, mà còn thêm yêu cầu của tuyến trong không gian, đảm bảo xe chạy an toàn, tốc độ cao

Khi đó ta không thể áp dụng bảng

cắm cong thông thường như để cắm đường

cong chuyển tiếp Clothoid Để vạch được

một đường cong Clothoid có chiều dài chọn

tuỳ ý và xác định được các thông số

Clothoid, ta cần lập bảng tính chi tiết đối

với đường tròn đơn vị R = 1, từ bảng tra

xác định các thông số Clothoid khi biết bán

kính R và chiều dài L theo sơ đồ Hình 8

2.2.1.4 Phương pháp thiết kế tuyến Clothoid: Thực hiện trên bình đồ tỷ lệ 1/1000

(TL1/2000), với các bước như nguyên tắc thiết kế bình đồ tuyến thông thường Trong

đó, ta cần kết hợp các đường cong Clothoid với nhau và nối chúng với các đường cong tròn cùng chiều hay ngược chiều sao cho bình đồ tuyến thay đổi một cách đều đặn Một

số dạng kết hợp cơ bản như sau:

(i) Kết hợp trực tiếp dạng không đối xứng:

T

d2

T2

Z

2

A

B

TM2

TM1

β 1

β 2

γ

T 1

T d1

Rm

Hình 9 Các yếu tố của Clothoi dạng nối tiếp không đối

xứng (L 1 ≠ L 2 , A 1 ≠ A 2 ; T 1 ≠ T 2 )

0

2 2

2

1 + ×28,65

=

γ

A A R

T1 = x01 - y01cotgβ1 +

γ

β β β

sin

sin

02 1

01

Sin

T2 = x02 - y02cotgβ2 +

γ

β β

β

sin

sin

02 1

01

2 ⎜⎜⎝⎛ Y + Y ⎟⎟⎠⎞

Sin

(ii) Kết hợp trực tiếp dạng đối xứng:

Đuong tang chung

k = 0

k =1/Rmin

ki = 1/Ri = Li/A 2

L i

R

C

γ

2

y

0

z

x 0

Hình 10 Các yếu tố của Clothoi và đường biểu diễn độ

cong của tổ hợp 2 Clothoid nối tiếp đối xứng

Tại điểm tiếp xúc 2 đường cong Clothoid có cùng bán kính cong

R1 = R2 = Rmin và có chung đường tang Với γ là góc ngoặt thì chiều dài đường tang:

T = x0 + y0tg

2

γ

(iii) Kết hợp hai đường cong Clothoid có đoạn chêm tròn ở giữa:

Thường áp dụng 2 đường cong

Clothoid có chiều dài và thông số khác nhau

(L1≠L2, A1≠A2)

Các điểm trung gian của phần cong tròn chêm giữa này được chia thành các đoạn l có khoảng cách tuỳ thuộc vào bán kính R: R < 100m → l = 5m; R

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

Y '

X ' Y

X

γ

R

R

B

A

T k T

β

t

x 0

y0

R 1

R 1

p

o

(γ 2 β )

Hình 11 Nối 2 Clothoid có đoạn chêm tròn ở giữa

T1 = (R + p1)tg

2

γ +

γ

sin

1

p − + t1 ;

T2 = (R + p1)tg

2

γ – (p2 – p1) cotgγ + t2

α = γ - (β1 + β2) →

0 0

180

π α

R

= 100 – 500m → l =10m; R > 500m → l = 20m Toạ độ của các điểm trung gian (x’i, y’i) của đường cong tròn này được xác định trên hệ toạ độ X’OY’ như sau:

+ Góc chắn cung có chiều dài l bằng:

R

l

+ Tại điểm thứ n có chiều dài là n×l (n = 1, 2, 3…) và có toạ độ:

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

−

=

=

) cos(

1 (

) sin(

' '

i i

i i

n R

y

n R x

α α

Để xác định các yếu tố của đường cong Clothoid ta có thể sử dụng bảng tra hoặc tính toán từ sơ đồ hình học phẳng Để tiện lợi cho việc cắm đường cong Clothoid ta chuyển phương trình từ toạ độ cực sang toạ độ Descarte như sau [2,3]:

599040 3456

13 8

9 2

5

+

− +

−

=

A

S A

S A

S

S

9676800 42240

336

15 10

11 6

7 2

3

+

− +

−

=

A

S A

S A

S A

S y

(Các chuỗi x và y hội tụ rất nhanh nên khi cắm cong chỉ cần tính đến hai số hạng đầu là đủ)

2.2.2 Đánh giá chất lượng đồ án thiết kế tuyến theo các tiêu chuẩn ATGT:

2.2.2.1 Đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế bình đồ theo tiêu chuẩn ATGT:

(i) Hệ số thay đổi độ ngoặt của đường cong CCR (Curvature Change Rate) Tại mỗi một đường cong hệ số thay đổi độ ngoặt CCRS được xác định theo công thức [5,7,8]:

CCRS =

L

63700

×

γ

, gon/km (1gon = 0,9o và 63,7gon =

π 2

400o ) Trường hợp đường cong tròn đơn: Trường hợp 3 đường cong bất kỳ kết hợp

liên tiếp nhau (ϕ1, ϕ2, ϕ3):

→ = × 63 , 7

R

K

γ (gon); L = K (m) → γ = ϕ1 + ϕ2 + ϕ3 ; L = L1 + L2 + L3

Trường hợp đường cong tròn R

phối hợp với 2 đường cong Clothoid có

A1 ≠ A2:

→

R

L R

K R

L

2 2

2

=

γ ; L = L1 + K + L2

Trường hợp đường cong phối hợp ba bán kính (R1, R2, R3):

→

R 2

K R

K R 2

K1 + 2 + 3

=

L = K1 + K2 + K3

Trường hợp 2 đường cong tròn (R1

> R2) phối hợp nằm giữa 2 đường cong

Clothoid ở hai đầu và 1 đường Clothoid

chêm ở giữa:

→

2 2 2

2 2 1

2 E 2 2

2 E 1 1 1

1

R 2

L R

K R 2

A R 2

A R

K R 2

= γ

L = L1 + K1 + LE + K2 + L2

(A1, A2, AE - Thông số của đường cong Clothoid ở hai đầu và ở giữa; L1, L2, LE -Chiều dài tương ứng của đường cong Clothoid ở hai đầu và ở giữa, m)

Trường hợp trên các đoạn thẳng:

Do R = ∞ nên CCRS = 0 (gon/km) (ii) Tốc độ khai thác với suất bảo đảm 85% (V85): Để đánh giá ATGT ta sử dụng tốc độ tính toán là tốc độ bảo đảm yêu cầu của 85% (không phải là tốc độ thiết kế)

Kết quả quan trắc thống kê

dòng xe cho thấy đường tần suất phân

bố tốc độ trong dòng xe có dạng không

đối xứng, chứng tỏ phần lớn người lái

đã cho xe chạy với tốc độ điển hình

nhất đối với đoạn đường đang xét hoặc

chênh lệch với tốc độ đó là không đáng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

Biểu đồ ở Hình 12 cho thấy số xe đi với tốc độ nhỏ hơn tốc độ quy định có dạng hình chữ S, chổ bắt đầu uốn dốc phổ biến thường đúng ngay giá trị 85%, cho nên đoạn uốn dốc ở phần trên của đường cong có ý nghĩa tách riêng phần ô tô còn lại của dòng xe không tuân theo quy luật chung Vì vậy, trị số tốc độ 85% này phải là số liệu xuất phát

để vẽ biểu đồ xe chạy trên đường và để thiết kế các yếu tố hình học của đường và các ô

tô đi với tốc độ nhanh hơn sẽ buộc phải tuân theo kỷ luật chung của dòng xe [3,4]

Với cơ sở lý luận đó, nhiều nước

trên thế giới đã xây dựng các công thức

thực nghiệm xác định V85 từ các chỉ tiêu

CCRS có thể tham khảo như sau:

+ Đức: V85 =

S

CCR

× + 01 8 , 8270

10 6

+ Mỹ: V85 = 93,85 – 0,05 × CCRs

+ Úc: V85 = 101,2 – 0,043 × CCRs

+ Pháp: V85 =

5 , 1

) 7 , 63 ( 346 1

102

S CCR

× +

+ Canada: V85 =e(4,561−5,27.10−3CCR s)

Hình 12 Tần suất tích luỹ

(iii) Hệ số lực ngang thiết kế: fRA= d i SC

R

× 127

2

, (Vd – là tốc độ thiết kế, km/h) và

hệ số lực ngang yêu cầu: fRD= i SC

R

V

−

× 127

2

85 , (fRD là hệ số lực ngang cần thiết tương ứng với V85)

2.2.2.2 Đề xuất khung tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng bình đồ tuyến đảm bảo ATGT:

Kết luận về chất lượng đồ án thiết kế Các chỉ tiêu

Theo tiêu chuẩn an toàn thứ nhất

d

i V

10 < V85i −V d ≤ 20 > 20

s

si CCR

CCR − ≤ 180 180 < CCR si−CCR s

≤ 360 > 360 Theo tiêu chuẩn an toàn thứ hai

85

85i−V i+

V ≤ 10 10 < V85i−V85i+1 ≤ 20 > 20

1 +

− si

si CCR

180 < CCR si−CCR si+ 1 ≤360 > 360 Theo tiêu chuẩn an toàn thứ ba

RDi RAi

2.2.3 Xây dựng phần mềm phục vụ công tác thiết kế tuyến Clothoid:

- Nếu thiết kế tuyến Clothoid chỉ với sự hỗ trợ của ACAD, Nova-TND thì rất khó khăn Với mong muốn góp phần cùng các kỹ sư thiết kế tiếp cận với phương pháp tuyến Clothoid áp dụng cho các loại đường ôtô cao tốc, đường ôtô cấp cao ở nước ta hiện nay, các tác giả đã xây dựng một phần mềm tiện ích để thiết kế bình đồ tuyến Clothoid, đánh giá chất lượng tuyến thiết kế trên quan điểm an toàn giao thông và mỹ học công trình

- Sơ đồ khối tổng quát thiết kế phần mềm:

-

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

Tính toán các thông

số, vẽ tuyến

- Xuất file bản vẽ BD tuyến

- Xuất bảng toạ độ cắm cong

- Xuất file *.ntd

Liên kết sử dụng phần mềm Nova – TDN

Kết thúc

Nhập số liệu địa hình

Đọc file *ntd

Dựng phối cảnh tuyến Clothoid thiết kế bằng

Nova-TDN

Bắt đầu

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010

- Một số hình ảnh ứng dụng phần mềm để thiết kế bình đồ tuyến Clothoid:

Nhập số liệu thiết kế → Kết quả tính tọa độ nhánh, tọa độ tuyến → Kết quả tính các thông số

đường cong

→ Đánh giá chất lượng tuyến thiết kế → Tự động vẽ BĐ tuyến trên nền CAD → Xuất dữ liệu

sang Nova

- Ứng dụng thiết kế bình đồ đường ô tô cao tốc đoạn Giẽ - Ninh Bình [6]: Theo

Hồ sơ thiết kế do TEDI thực hiện thì phân đoạn Km22-Km26 được thiết kế chuyển hướng tại hai đỉnh với hai đường cong tròn bán kính R1=1000m và R2=2000m Dùng phần mềm thiết kế lại tại mỗi đỉnh bằng hai đường cong Clothoid nối tiếp đối xứng cũng với R1=1000m và R2=2000m Kết quả bình đồ tuyến Clothoid phân đoạn KM22-KM26 như hình bên, đồng thời đánh giá các chỉ tiêu thiết kế tuyến thoả mãn tốt nhất các tiêu chí ATGT