Báo cáo khoa học: " Hệ thống thông số kỹ thuật của đ-ờng sắt đô thị thế giới và lựa chọn một số thông số cơ bản cho đ-ờng sắt đô thị Việt Nam" docx

Hệ thống thông số kỹ thuật của đờng sắt đô thị thế giới v lựa chọn một số thông số cơ bản cho đờng sắt đô thị Việt Nam ts phạm Văn ký Đại học Giao thông Vận tải ks nguyễn hữu thiện PMU18 Tóm tắt: Bi báo trình by hệ thống đờng sắt đô thị thế giới, các u nhợc điểm, cách phân loại v nguyên tắc thiết lập đờng sắt đô thị, hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế ĐSĐT của nớc ngoi. Báo cáo cũng bn về việc lựa chọn một số thông số cơ bản cho ĐSĐT ở Việt Nam. Summary: This article is about overviews of Transit in the World. The piece involves advantages of transit system, clasification of the transit, and principles for establishing transit system, some criteria of rail lines in the World and recommended main criteria for Transit Network in big cities in Vietnam. Mở đầu Giao thông đô thị đang là một trong những vấn đề cấp bách nhất trong quản lý đô thị đặc biệt tại các đô thị lớn ở Việt Nam nh Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh. Để đáp ứng nhu cầu giao thông trong những năm tới thì việc cải tạo cơ bản và toàn diện mạng lới giao thông là một điều đặc biệt cần thiết. Trong cơ cấu cơ sở hạ tầng GTĐT thì việc hình thành một mạng lới giao thông đờng sắt đô thị một cách hợp lý chiếm vị trí đặc biệt quan trọng. Từ kinh nghiệm của các nớc trên thế giới có thể nói tại các đô thị lớn Việt Nam vấn đề giao thông khó có thể giải quyết đợc nếu không tiến hành nghiên cứu xây dựng mạng lới ĐSĐT. Vì vậy nghiên cứu để xây dựng ĐSĐT nhằm tăng tối đa năng lực thông qua của bản thân mạng ĐSĐT đồng thời phát huy đợc hiệu quả của các loại hình phơng tiện GT khác là một việc làm hết sức cấp bách và cần thiết. 1. Vi nét về mạng lới đờng sắt đô thị trên thế giới Hệ thống vận tải công cộng thành phố, đặc biệt là hệ thống đờng sắt đóng một vai trò quan trọng kể từ nửa cuối thế kỷ 19. Tàu điện mang lại lợi ích xã hội do tăng tốc độ lu thông và giảm giá vé, phí đi lại rẻ đã giúp ngời lao động đi lại từ chỗ ở đến nơi làm việc với một cự ly đáng kể, vì vậy việc làm nhà ở ngoại ô đã trở nên khả thi đối với ngời có thu nhập thấp và nh vậy tránh đợc việc tập trung quá đông dân c ở khu vực trung tâm thành phố. Vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 20 hầu hết các thành phố lớn và vừa ở châu Âu đã xây dựng những mạng lới tàu điện nội đô và nó là phơng tiện GTCC duy nhất. Tuy nhiên ngày càng gia tăng nhu cầu giao thông và ngày càng xuất hiện nhiều hơn các loại hình GTCC và điều này đã làm nảy sinh các vấn đề vớng mắc trong chính các loại hình dịch vụ GTCC. Đã có sự thay đổi lớn lao xảy ra khi các xe ô tô t nhân và xe bus công cộng gia tăng. Tại Mỹ vận tải đờng sắt trên phố (Street Transit) đã suy giảm rất sớm. Các nhà sản xuất lốp ô tô và các công ty dầu lửa đã mua các tuyến xe điện và chấm dứt sự hoạt động của chúng. Vận tải đờng sắt nội đô đợc đánh giá là vật cản của hệ thống giao thông đô thị và phải nhờng chỗ cho giao thông dựa vào ô tô. Phải thừa nhận rằng ô tô t và xe bus đa lại nhiều tiện lợi. Tuy nhiên vào những năm 1970 các tuyến đờng bộ ngày càng trở nên đông đúc. Nhũng tiện ích của xe ô tô nay đã trở nên bất tiện thay vào đó là việc tăng thời gian đi lại. Ngoài ra vấn đề ô nhiễm không khí do các động cơ đốt trong gây nên đã đang là vấn đề hết sức bức xúc. Chính vì vậy đã làm nảy sinh những ý tởng mới nhằm phục hồi GT đờng sắt và phát triển những hệ thống đờng sắt mới chất lợng cao. Khoảng 30 năm gần đây, đặc biệt là trong thập kỷ 90 thế kỷ 20 ĐSĐT phát triển rất nhanh trên thế giới. Trớc năm 1970 chỉ có ít thành phố có hệ thống ĐSĐT thì đến nay đã có khoảng 190 thành phố có hệ thống này và hàng chục thành phố khác đang xây dựng nằm rải rác trên 70 nớc trên thế giới. Sở dĩ ĐSĐT phát triển nh vậy vì nó có những u điểm cơ bản sau đây: 1. Năng lực chuyên chở lớn: Năng lực của một tuyến tàu điện hiện đại có thể lên tới 30.000 - 80.000 HK/h. 2. Diện tích chiếm đất ít: Thống kê cho thấy vận tải xe con phải chiếm tới 36m 2 đất cho 1.000 chỗ ngồi-km, xe buýt mất 6,3 m 2 còn ĐSĐT chỉ mất 3,5 m 2 . Khi tuyến tàu điện đi lên cao (Elevated) hoặc đi ngầm (Underground) thì diện tích chiếm đất của thành phố lại càng ít hơn. 3. Tất cả các loại hình ĐSĐT đều dùng năng lợng điện nên độ ô nhiễm không khí rất nhỏ so với ô tô con và xe buýt. Vấn đề giảm tiếng ồn cũng đợc xử lý triệt để trên các tuyến ĐSĐT hiện đại. 4. Tiết kiệm năng lợng: Tính cho 1.000 chỗ ngồi-km thì vận tải ô tô con hết 262 KW/h, xe buýt hết 58 KW/h, metro hết 64 KW/h và tàu điện nhẹ hết 56 KW/h. 5. An toàn: Thống kê năm 1987 ở Nhật cho thấy số ngời chết do tai nạn giao thông tính trên 1 tỷ HK-Km ở vận tải ô tô lớn gấp 9,6 lần ĐSĐT. 6. Việc rút ngắn thời gian chạy tàu do tốc độ bình quân của ĐSĐT thờng cao hơn vận tải ô tô khoảng hơn 3 lần và bảo đảm đi đến đúng giờ, không bị ảnh hởng bởi những trở ngại ngẫu nhiên trên đờng. 2. Phân loại đờng sắt đô thị Trong thực tế việc phân loại ĐSĐT rất khác nhau. Tên đặt cho các hệ thống khác nhau từ nớc này sang nớc khác và thậm chí là khác nhau từ thành phố này đến thành phố khác trong cùng một nớc. Các nhóm khái niệm đợc dùng để phân loại: a. Theo mức độ hoạt động (kể cả năng lực thông qua) - Street Transit: ĐSĐT trong các khu phố - Semirapid Transit: ĐSĐT bán tốc độ cao hoặc ĐSĐT khối lợng vận tải vừa - Mass Rapid Transit: ĐSĐT tốc độ cao hoặc ĐSĐT khối lợng vận tải lớn. b. Theo các đặc trng cơ bản - Không dẫn hớng (Nonguided) - Dẫn hớng (Guided) c. Theo đặc trng vận hnh - Vận hành thủ công - Vận hành tự động Theo công nghệ đờng sắt phân thành ĐSĐT có sức chở trung bình, ĐSĐT có sức chở lớn, và Đờng sắt công nghệ mới hiện đại. Cả ba loại này đều thuộc loại dẫn hớng. 1. ĐSĐT có sức chở trung bình (dới 30.000 HK/h) gồm 1-1 Tàu điện 1 ray (Monorail); Tàu điện 1 ray có 2 kiểu; kẹp và treo. 1-2 Tàu điện nhẹ LRT (Light Rail Trainsit) với các đặc trng là: Tách riêng làn đờng. Hệ thống thông tin tín hiệu hiện đại giúp khai thác LRT với tốc độ cao. Các toa xe hiện đại, gia giảm tốc nhanh, có thiết bị kiểm tra tự động. 2. ĐSĐT có sức chở lớn - Heavy rail system. Thuộc loại này có tàu cao tốc Express, SBahn và Metro. Đoàn tàu thờng gồm 4 - 10 toa, năng lực vận tải rất lớn (60.000 - 80.000 HK/h). 3. Các loại hình vận tải mới xuất hiện 3-1. Tàu tự động không ngời lái AGT (Automatic Guided Train) chạy trên một đờng dẫn hớng riêng biệt. 3-2. Tàu động cơ tuyến tính LIM (Linear Motor). Mỗi trục xe gắn một động cơ tuyến tính chạy trên ray khổ 1435, cấp điện 1500DC. 3-3 Tàu đệm từ MAGLEV. Động cơ tuyến tính nhng chạy trên một đệm không khí do lực đẩy của từ tạo nên. Đệm không khí dày 10mm tới 100mm 3-4 Tàu không lu (Aeromover) hoạt động theo nguyên lý chuyển động của tàu cánh buồm. 3. nguyên tắc thiết lập Đờng sắt đô thị Theo số liệu thống kê trên thế giới có thể xem những giới hạn sau đây mang tính nguyên tắc: Lợng hnh khách Phơng tiện thích hợp 10.000 - 20.000 Xe bus truyền thống 20.000 - 30.000 Light Rail (LR) loại I hoặc xe bus truyền thống 30.000 - 40.000 LR loại I, loại II 40.000 - 50.000 LR loại II, Mass Rapid Rail (MRR) > 50.000 (MRR) ĐSĐT phải hiện đại, văn minh, phù hợp với Quy hoạch phát triển không gian đô thị trong tơng lai. Hệ thống mạng ĐSĐT phải có sự kết nối liên hoàn và đồng bộ với mạng giao thông thành phố. Kết nối các trung tâm chính trị văn hoá, các điểm dân c tập trung. Do kinh phí đầu t ĐSĐT rất lớn nên trong lựa chọn phơng án cần có tầm nhìn xa, đón đầu, tránh tình trạng công trình sớm trở nên lạc hậu, quá tải. ĐSĐT phải bảo đảm ảnh hởng tiêu cực ít nhất đến cảnh quan kiến trúc đô thị và môi trờng, đặc biệt đối với khu vực trung tâm thành phố. Về loại hình phơng tiện không sử dụng nhiều chủng loại để thuận tiện cho tổ chức quản lý khai thác, duy tu bảo dỡng. Mạng ĐSĐT phải góp phần đắc lực biến giao thông công cộng trở thành phơng tiện giao thông chủ yếu hấp dẫn, văn minh, nhanh chóng và an toàn nhất. 4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của đờng sắt đô thị Thế giới Do cấu tạo của đầu máy toa xe, tính chất vận tải của đờng sắt đô thị có những nét rất đặc trng nên các tiêu chuẩn thiết kế của ĐSĐT có nhiều điểm khác biệt so với đờng sắt thông thờng. 4.1. Siêu cao và tốc độ Siêu cao lớn nhất cực hạn - Cho đờng ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 150 mm - Cho đờng ray đặt trên nền balat: 125 mm Siêu cao lớn nhất nên dùng - Cho đờng ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 125 mm - Cho đờng ray đặt trên nền balat: 110 mm Siêu cao thiếu cho phép Siêu cao thiếu lớn nhất cho phép trên đờng bằng đối với ray hàn liền và ray có mối nối: 110 mm. Siêu cao thiếu lớn nhất cho phép trên đờng rẽ và tâm ghi đối với ray hàn liền và ray có mối nối: 90 mm. Giới hạn siêu cao ngợc (ray lng thấp hơn ray bụng) ở khu vực lỡi ghi và tâm ghi đối với ray hàn liền và ray có mối nối: 80 mm Theo quan hệ: R5.4V max = đờng đợc thiết kế trên cơ sở tốc độ lớn nhất nh sau: Bán kính đờng cong (m) Tốc độ (km/h) Bán kính đờng cong(m) Tốc độ (km/h) 100 45 200 63 125 50 250 71 150 55 300 77 175 60 >300 80 Siêu cao áp dụng chính xác tới mm đối với ray trên nền bê tông và chính xác tới 5mm đối với ray trên nền balat. Độ vuốt siêu cao theo các giới hạn sau: Lớn nhất cực hạn = 2/1000 Lý tởng = 1.3/1000 Tối thiểu = 1:1000 Tốc độ dâng cao gờ bánh xe: Lớn nhất cực hạn = 55 mm/sec (cho đờng bằng) Lớn nhất nên dùng = 35 mm/sec Lớn nhất cực hạn = 80 mm/sec (cho khu vực giao cắt, ghi) 4.2. Bán kính tối thiểu Bán kính tối thiểu nên dùng: 200 m. Bán kính tối thiểu cực hạn: Đối với tuyến: Trên mặt đất hoặc trên cao: 100 m Trong hầm: 200 m Trong phạm vi depots: 100 m. 4.3. Đờng cong chuyển tiếp Đờng cong chuyển tiếp có dạng đờng cong xoắn clothoid hoặc parabol bậc 3 theo các phơng trình sau: Đờng cong clothoid C42240 d C336 d C6 d y 5 11 3 73 += 4.4. Đoạn chêm giữa 2 đờng cong Chiều dài đoạn thẳng giữa hai đờng cong hoặc chiều dài đờng cong chuyển tiếp khi cần có đờng cong chuyển tiếp đối với hai đờng cong tròn liên tiếp cùng chiều hoặc ngợc chiều không nhỏ hơn các giá trị sau: Chiều dài tối thiểu lý tởng: 50 m. Chiều dài tối thiểu nên dùng: 25 m. Chiều dài tối thiểu cực hạn 17 m. 4.5. Chiều dài đoạn cung tròn nhỏ nhất Đối với đờng cong có chuyển tiếp chiều dài đờng cong tròn K min còn lại giữa hai đờng cong chuyển tiếp không nhỏ hơn các giá trị sau: Chiều dài tối thiểu lý tởng: 50 m Chiều dài tối thiểu nên dùng: 25 m Chiều dài tối thiểu cực hạn 17 m 4.6. Giới hạn lớn nhất về trị số độ dốc hạn chế Đối với đờng chính tuyến ngoài ga giá trị độ dốc lớn nhất cực hạn lấy bằng 5%. Khi độ dốc từ 2.5% đến 5% thì chiều dài đoạn dốc nên chọn ngắn có thể. Độ dốc thoát nớc trên toàn chiều dài hầm cũng nh trong ga cụ thể nh sau: - Độ dốc nhỏ nhất nên dùng 0.5% - Độ dốc nhỏ nhất cực hạn: 0.25%. 4.7. Bán kính đờng cong đứng Cần tránh bố trí đờng cong đứng trên đờng cong chuyển tiếp. Trờng hợp không thể tránh đựợc thì cần chọn bán kính đờng cong đứng lớn nhất có thể. Bán kính nên dùng tối thiểu: 1000 m Chiều dài đoạn dốc không đổi giữa các đờng cong đứng liên tiếp lấy bằng: Giá trị nhỏ nhất nên dùng: 50 m Giá trị nhỏ nhất cực hạn: 25 m 5. Kiến nghị một số tiêu chuẩn cơ bản của đờng sắt đô thị Việt Nam 5.1. Khổ đờng Dùng khổ tiêu chuẩn 1435 mm là khổ đờng chiếm tới 80% chiều dài mạng đờng sắt đô thị Thế giới. 5.2. Các tiêu chuẩn chủ yếu của tuyến đờng. Bán kính tối thiểu nên dùng: 200 m. Bán kính tối thiểu cực hạn Đối với tuyến: - Trên mặt đất hoặc trên cao: 100 m. - Trong hầm: 200 m. Trong phạm vi depots: 80 - 100 m. Siêu cao lớn nhất cho phép Siêu cao lớn nhất cực hạn - Cho đờng ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 150 mm - Cho đờng ray đặt trên nền balat: 125 mm Siêu cao lớn nhất nên dùng - Cho đờng ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 125 mm - Cho đờng ray đặt trên nền balat: 110 mm Đờng cong chuyển tiếp Dùng đờng cong chuyển tiếp clothoit. Độ vuốt siêu cao theo các giới hạn sau: Lớn nhất cực hạn = 2:1000 Lý tởng = 1.3:1000 Bán kính đờng cong đứng. Bán kính tối thiểu nên dùng: 1000 m Độ dốc lớn nhất Độ dốc lớn nhất cực hạn lấy bằng 5%. Tuy nhiên cần tránh các dốc 3%. Vận tốc: Vận tốc thiết kế tối đa: 80 km/h, vận tốc vận hành tối đa 80 km/h, tốc độ lữ hành 45 km/h. 5.3. Loại hình kiến trúc: Trên cao hoặc đi ngầm Ray: Sử dụng loại ray 50 kg/m trở lên. Ray đặt trên đờng phải là ray hàn. T vẹt: Sử dụng phổ biến tà vẹt bê tông dự ứng lực. Dùng loại tà vẹt dọc cho ĐSTC và bản bê tông liền khối cho hầm, Đờng sắt trên cao - Hệ cầu - Chiều cao cầu. Kiến nghị không sử dụng tiêu chuẩn tĩnh không tối thiểu mà sử dụng chiều cao cầu từ 7 - 12 m. - Chiều di nhịp cầu. Chọn loại nhịp có chiều dài phổ biến 28 - 40 m. Đối với các trờng hợp cá biệt chiều dài nhịp có thể lên tới 60 hoặc lớn hơn. - Kết cấu móng. Dùng cọc bê tông khoan nhồi kích thớc phù hợp với điều kiện địa chất. Đờng sắt đi ngầm - Phần hầm Mặt cắt ngang hầm đoạn thông thờng có chiều rộng 11400 mm, cao 6200 mm, vỏ hầm dày khoảng 700 mm, đỉnh hầm cách mặt đất khoảng 6500 mm. Chiều di ga. Thiết kế chiều dài ga tới 150m để có thể chứa tới 5 - 6 toa xe Khoảng cách giữa các ga. Bố trí khoảng cách các ga từ 700 - 1000 m. 5.4. Thông tin tín hiệu, đầu máy toa xe Cấp điện v thông tin liên lạc. Dùng hình thức cấp điện bên hông (ray thứ 3). Thông tin liên lạc dùng hệ điều khiển tự động hiện đại, áp dụng thành tựu mới nhất của công nghệ thông tin. 5.5. Đầu máy toa xe Đề nghị dùng thiết bị đầu máy toa xe của hãng Siemen là hãng nổi tiếng nhất về công nghệ chế tạo đầu máy toa xe cho đờng sắt đô thị. Sau đây là một số đặc điểm tính năng của đầu máy toa xe hiện dùng phổ biến (sản phẩm của hãng Siemen): Thnh phần Số đo Ghi chú Tổng chiều dài đoàn tàu 65.1 m 3 toa xe nối móc với nhau Toa xe kiểu A thân xe 21.28 m Toa dẫn hớng Toa xe kiểu C thân xe 20.76 m Toa kéo theo Tổng chiều rộng 3120 mm Khoảng cách giá chuyển hớng 14800 mm Tất cả các toa Khoảng cách trục của giá chuyển hớng 2300 mm Số chỗ ngồi/toa 42 Số hành khách có thể chở đợc 1100 8 ngời/m 2 Trọng lợng bì của đoàn tàu 3 toa 105.6 tấn Tải trọng trục lớn nhất 14 tấn Công suất mô tơ 230 kW Chạy liên tục Gia tốc lớn nhất 1.25 m/s 2 Giảm tốc (hãm) 1.34 m/s 2 6. Kết luận Qua phân tích ở trên ta thấy việc nghiên cứu ĐSĐT ở Việt Nam hiện nay là rất cần thiết. Các định hớng của việc xây dựng đổi mới và cơ cấu lại ngành đờng sắt đã đợc khẳng định trong các quyết định của Thủ tớng Chính phủ. Việc nghiên cứu xây dựng ĐSĐT tại Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh đã thu hút hầu hết các cơ quan nghiên cứu đầu ngành về GTVT tại Việt Nam và một số hãng nghiên cứu có tiếng về lĩnh vực này trên thế giới. Tuy nhiên do loại hình vận tải này còn mới mẻ đối với Việt Nam nên các cơ quan nghiên cứu đã bỏ nhiều công sức để đạt kết quả nghiên cứu đủ độ tin cậy cần thiết về các giải pháp kỹ thuật lẫn tính hiệu quả của đầu t. Tài liệu tham khảo [1] Tiêu chuẩn ĐSĐT Anh áp dụng cho hệ thống ĐSĐT Bangkok (Tiếng Anh). [2] Đờng sắt ĐSĐT Trung Quốc (Tiếng Trung). [3] Các Nghiên cứu khả thi ĐSĐT Indonesia, Việt Nam, Thái Lan (Tiếng Anh, Tiếng Việt). [4] Tạp chí đờng sắt Thế giới (Tiếng Anh). [5] Thông tin trên Internet Ă . Hệ thống thông số kỹ thuật của đờng sắt đô thị thế giới v lựa chọn một số thông số cơ bản cho đờng sắt đô thị Việt Nam ts phạm Văn ký Đại học Giao thông Vận tải ks. 4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của đờng sắt đô thị Thế giới Do cấu tạo của đầu máy toa xe, tính chất vận tải của đờng sắt đô thị có những nét rất đặc trng nên các tiêu chuẩn thiết kế của ĐSĐT. tắt: Bi báo trình by hệ thống đờng sắt đô thị thế giới, các u nhợc điểm, cách phân loại v nguyên tắc thiết lập đờng sắt đô thị, hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế ĐSĐT của nớc ngoi. Báo cáo cũng