Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Trêng §¹i häc Giao th«ng vËn t¶i Ph¹m Sü Lîi Nghiªn cøu lùa chän hîp lý c¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tuyÕn ®êng s¾t cao tèc Vµ ¸P DôNG CHO TUYÕN §êng s¾t hµ néi vinh LuËn ¸n tiÕn sü kü thuËt Hµ Néi 2015Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Trêng §¹i häc Giao th«ng vËn t¶i Ph¹m Sü Lîi Nghiªn cøu lùa chän hîp lý c¸c th«ng sè kü thuËt c¬ b¶n cña tuyÕn ®êng s¾t cao tèc Vµ ¸P DôNG CHO TUYÕN §êng s¾t hµ néi vinh Ngµnh : Kü thuËt x©y dùng c«ng tr×nh giao th«ng Chuyªn ngµnh : X©y dùng §êng s¾t M· sè : 62580205 LuËn ¸n tiÕn sü kü thuËt Ngêi híng dÉn khoa häc: 1. PGS.TS. Ph¹m V¨n Ký 2. TS. Lª H¶i Hµ 3. TS. §ç ViÖt H¶i Hµ Néi 2015CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do Hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Phạm Sỹ LợiLỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả xin trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Khoa Công trình, phòng Đào tạo Sau Đại học, bộ môn Đường sắt thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong và ngoài Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu luận án. Xin cảm ơn các Chuyên gia trong và ngoài ngành đã quan tâm, đóng góp ý kiến đối với luận án này. Tác giả luận án NCS. Phạm Sỹ LợiMỤC LỤC Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu đề tài 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 4. Phương pháp nghiên cứu 1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 Chương 1: Tổng quan về lựa chọn các thông số kỹ thuật cơ bản (TSKTCB) của tuyến đường sắt cao tốc 3 1.1. Các khái niệm 3 1.1.1. Đường sắt phổ thông 3 1.1.2. Đường sắt cận cao tốc 3 1.1.3. Đường sắt cao tốc 3 1.1.4. Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt 3 1.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản và các quy định chung 3 1.2.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của đường sắt phổ thông 3 1.2.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc 4 1.2.2.1. Cơ sở xác định các TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 4 1.2.2.2. Giới thiệu quy định về TSKTCB của 1 số nước 4 1.2.2.3. Đối với Việt Nam 6 1.2.2.4. TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 7 1.3. Sự cần thiết phải lựa chọn hợp lý các TSKT trên tuyến đường sắt cao tốc 11 1.4. Lựa chọn TSKTCB trên tuyến đường sắt cao tốc 11 1.4.1. Phương pháp lựa chọn riêng biệt từng TSKTCB 11 1.4.1.1. Chọn tốc độ thiết kế (tốc độ mục tiêu) 11 1.4.1.2. Bán kính đường cong tròn tối thiểu (Rmin) 12 1.4.1.3. Độ dốc tối đa của chính tuyến 17 1.4.1.4. Khoảng cách giữa hai tim tuyến 19 1.4.2. Phân tích đánh giá phương pháp truyền thống lựa chọn tổ hợp các TSKTCB về các yếu tố tuyến đường 24 1.4.3. Phân tích những công trinh nghiên cứu ở trong nước liên quan đến chọn TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 261.4.4. Những tồn tại trong việc tìm các TSKTCB theo phương pháp truyền thống 26 1.5. Mục tiêu của luận án 26 1.6. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 27 Chương 2: Ứng dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc 28 2.1. Giới thiệu về phương pháp phân tích đa chỉ tiêu 28 2.1.1. Phân tích đa chỉ tiêu 28 2.1.2. Các khái niệm của phân tích đa chỉ tiêu 28 2.1.3. Mô hình đánh giá đa chỉ tiêu 29 2.1.4. Các mô hình toán học hỗ trợ trong phương pháp phân tích đa chỉ tiêu 30 2.1.4.1. Phương pháp Conjunctive 30 2.1.4.2. Phương pháp AHP 31 2.1.5. Lựa chọn những người tham gia vào quá trình đánh giá đa chỉ tiêu 35 2.1.5.1. Những người tham ra vào quá trình đánh giá và ra quyết định 37 2.1.5.2. Lãnh đạo quá trình đánh giá 37 2.1.5.3. Nhóm chuyên gia phân tích 37 2.1.5.4. Ý kiến của công chúng 37 2.1.6. Các phương pháp ra quyết định trong quá trình đánh giá đa chỉ tiêu 38 2.1.6.1. Phương pháp bầu cử 39 2.1.6.2. Phương pháp bỏ phiếu 39 2.1.6.3. Phương pháp thảo luận trực tiếp 40 2.1.6.4. Phương pháp Nominal Group 40 2.1.6.5. Phương pháp Delphi 40 2.2. Giới thiệu quy trình đánh giá đa chỉ tiêu 41 2.2.1. Lựa chọn những người tham gia vào quá trình ra quyết định 41 2.2.2. Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thiết lập sơ đồ phân tích (cây phân tích) 42 2.2.2.1. Xác định các chỉ tiêu đánh giá và thiết lập sơ đồ phân tích 42 2.2.2.2. Thiết lập các phương án và loại bỏ các phương án không thể chấp nhận 43 2.2.3. Xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu 43 2.2.4. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu 45 2.2.4.1. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu lượng hóa được 452.2.4.2. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu không lượng hóa được 46 2.2.4.3. Thu thập ý kiến chuyên gia để so sánh và xác định độ lớn các chỉ tiêu 46 2.2.4.4. Xử lý số liệu thu thập từ ý kiến chuyên gia 47 2.2.5. Xác định phương án tốt nhất 47 2.2.5.1. Xác định độ lớn tương đối của các chỉ tiêu của phương án 47 2.2.5.2. Phân tích độ nhạy 48 2.2.6. Chương trình Expert Choice 48 2.2.7. Tổng hợp sơ đồ thực hiện đánh giá đa chỉ tiêu để ựa chọn phương án 49 2.3. Các đặc điểm và các ứng dụng hiện nay của phân tích đa chỉ tiêu 50 2.3.1. Đặc điểm phân tích đa chỉ tiêu 50 2.3.2.Ứng dụng của phân tích đa chỉ tiêu hiện nay 50 2.4. Ứng dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của đường sắt cao tốc 51 2.4.1. Cơ sở đề xuất ứng dụng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của ĐSCT 51 2.4.2. Các bước thực hiện phân tích đa chỉ tiêu để lựa chọn các TSKTCB của ĐSCT 52 2.4.2.1. Xây dựng bài toán và thiết lập sơ đồ phân tích 52 2.4.2.2. Lựa chọn chuyên gia tham gia vào quá trình ra quyết định 53 2.4.2.3. Phân tích các chỉ tiêu đánh giá 54 2.4.2.4. Thiết lập phương án và xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu 69 2.4.2.5. Tính toán, xác định phương án tốt nhất bằng cách tính trọng số R của từng phương án 70 2.4.2.6. Phân tích độ nhạy, ra quyết định lựa chọn phương án 71 2.5. Kết luận Chương 2 71 Chương 3: Lựa chọn các TSKTCB của tuyến đường sắt cao tốc Hà Nội Vinh 73 3.1. Giới thiệu đường sắt hiện tại 73 3.2. Xác định bài toán và thiết lập sơ đồ phân tích số liệu đầu vào 74 3.2.1. Thiết lập bài toán 74 3.2.2. Sơ đồ phân tích các chỉ tiêu và sơ đồ tính toán 74 3.2.3. Các số liệu ban đầu phục vụ việc phân tích 753.3. Lựa chọn các chuyên gia đánh giá 76 3.4. Phân tích các chỉ tiêu đánh giá để lựa chọn thực hiện cho điểm so sánh các chỉ tiêu 76 3.4.1. Phân tích, lựa chọn miền các tiêu chuẩn kỹ thuật 76 3.4.2. Phân tích các chỉ tiêu 76 3.5. Tổng hợp ý kiến chuyên gia để tính toán các trọng số và thành lập các phương án so sánh 78 3.5.1. Từ kết quả chấm điểm so sánh của các chuyên gia đối với từng chỉ tiêu, thực hiện tổng hợp, sử lý số liệu để đưa vào tính toán 78 3.5.2. Tính trọng số các chỉ tiêu tiêu chuẩn 78 3.5.3. Tính trọng số các chỉ tiêu chi tiết trong từng chỉ tiêu tiêu chuẩn. 79 3.5.3.1. Chỉ tiêu Kỹ thuật Công nghệ 79 3.5.3.2. Chỉ tiêu Kinh tế 80 3.5.3.3. Chỉ tiêu Môi trường 81 3.5.3.4. Chỉ tiêu Xã hội 81 3.5.3.5. Chỉ tiêu các Dữ liệu mờ 82 3.5.4. Thiết lập phương án 83 3.5.5. Tính toán, xác định phương án tốt nhất bằng cách tính trọng số R của từng phương án 84 3.5.5.1. Tính trọng số R của phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo phần mềm Expert choice 84 3.5.5.2. Tính trọng số R của phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo phần mềm VBA 86 3.5.5.3. Ra quyết định lựa chọn phương án 109 3.5.6. So sánh với kết quả nghiên cứu của các tổ chức quốc tế 109 Kết luận và kiến nghị 111 Danh mục các công trình công bố kết quả nghiên cứu của đề tài, luận án 113 Tài liệu tham khảo 114 Phụ lục đính kèmDANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. AGC : Hiệp hội Đường sắt Châu Âu 2. ECE : Hội đồng kinh tế châu Âu 3. TSKTCB : Thông số kỹ thuật cơ bản 4. GTVT : Giao thông vận tải 4. ĐSCT : Đường sắt cao tốc 5. TGV : Công nghệ động lực tập trung 6. EMU : Công nghệ động lực phân tán 7. MCA : Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu 8. Vmax : Tốc độ mục tiêu 9. Rmin : Bán kính đường cong tối thiểu 10. Imax : Độ dốc dọc tối đa 11. D : Khoảng cách 2 tim tuyến 12. Lsd : Chiều dài đường đón gửi tầu 13. n : Số đường 14. P : Tải trọng bánh tĩnh trên trục 15. H : Lực ngang ở giữa bánh xe ray 16. h : Siêu cao 17. hq : Siêu cao thiếu 18. Hg : Siêu cao thường 19. B : Chiều rộng thân toa xe 20. ĐSPT : Đường sắt phổ thông 21. TSKT : Thông số kỹ thuậtDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 11. Thống kê TSKTCB của một số tuyến đường sắt cao tốc trên thế giới. ...... 6 Bảng 12. Trị số siêu cao thiếu, thừa cho phép (mm) 16, 7, 8 ........................... 17 Bảng 13. Quan hệ tương thích giữa tốc độ và độ dốc với công suất đầu máy .......... 18 Bảng 21. Bảng các giá trị của chỉ số nhất quán RI .................................................. 35 Bảng 22. Bảng tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số cơ bản ................. 57 Bảng 23. Bảng tốc độ và lực cản............................................................................. 61 Bảng 24. Năng lực cạnh tranh với các phương tiện giao thông khác. ...................... 66 Bảng 25. Diện tích đất đối với tốc độ thiết kế khác nhau. ....................................... 66 Bảng 26. Mức tiếng ồn tối đa cho phép ở khu vực công cộng và dân cư ................. 68 Bảng 31. Dự báo nhu cầu vận chuyển hành khách tuyến Hà nội Vinh .................. 73 Bảng 32. Dự báo nhu cầu vận chuyển hàng hóa ...................................................... 74 Bảng 33. Hiện trạng các điểm văn hoá lịch sử môi trường ở khu vực tuyến đi qua cần lưu giữ. .............................................................................................................. 77 Bảng 34. Hiện trạng các khu vực bảo tồn môi trường sốngloại sinh vật ................. 77 Bảng 35. Ma trận mức độ ưu tiên của 5 chỉ tiêu tiêu chuẩn. .................................... 78 Bảng 36. Bảng chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên của 5 chỉ tiêu tiêu chuẩn ........... 79 Bảng 37. Mức ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Kỹ thuật Công nghệ ................................................................................................................................ 79 Bảng 38. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Kỹ thuật Công nghệ............................................................................................ 80 Bảng 39. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Kinh tế .............. 80 Bảng 310. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng só các tiêu chí trong chỉ tiêu Kinh tê .................................................................................................................. 80 Bảng 311. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Môi trường ..... 81 Bảng 312. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Môi trường ........................................................................................................... 81 Bảng 313. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Xã hội ............. 81 Bảng 314. Chuẩn hóa ma trân mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Xã hội ................................................................................................................... 82 Bảng 315. Mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Dữ liệu mờ. .... 82Bảng 316. Chuẩn hóa ma trận mức độ ưu tiên và trọng số các tiêu chí trong chỉ tiêu Dữ liệu mờ. .......................................................................................................... 82 Bảng 317. Bảng trọng số chung của các tiêu chí ..................................................... 83 Bảng 318. Thiết lập phương án ............................................................................... 83 Bảng 319. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Tiêu hao năng lượng. ............................................................................................................ 86 Bảng 320. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Tiêu hao năng lượng. ............................................................................................ 87 Bảng 321. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Sóng áp lực không khí khi hai đoàn tàu gặp nhau. ..................................................................... 87 Bảng 322. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Sóng áp lực không khí hai đoàn tàu gặp nhau. ...................................................... 88 Bảng 323. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Lực kéo. 88 Bảng 324. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Lực kéo. ............................................................................................................... 88 Bảng 325. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Địa hình. ................................................................................................................................ 89 Bảng 326. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Địa hình. ............................................................................................................... 89 Bảng 327. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Công nghệ chạy tàu. ................................................................................................................. 89 Bảng 328. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Công nghệ chạy tàu. ............................................................................................. 90 Bảng 329. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Phương thức chạy tàu. ................................................................................................................. 90 Bảng 330. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Phương thức chạy tàu. .......................................................................................... 91 Bảng 331. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Tiếng ồn. ................................................................................................................................ 91 Biểu 332. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Tiếng ồn. .............................................................................................................. 91 Bảng 333. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Bảo tồn di tích lịch sử văn hóa. ............................................................................................... 92Bảng 334. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Bảo tồn di tích lịch sử văn hóa. ............................................................................. 92 Bảng 335. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Vị trí địa lý tuyến. ..................................................................................................................... 93 Bảng 336. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Vị trí địa lý tuyến. ................................................................................................. 93 Bảng 337. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Tính cạnh tranh với các phương tiện giao thông. ..................................................................... 94 Bảng 338. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Tính cạnh tranh với các phương tiện giao thông. .................................................. 94 Bảng 339. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Độ thích nghi của hành khách. .............................................................................................. 95 Bảng 340. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Độ thích nghi của hành khách. .............................................................................. 95 Bảng 341. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Diện tích đất chiếm dụng............................................................................................................. 96 Bảng 342. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Diện tích chiếm đất. .............................................................................................. 96 Bảng 343. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Ảnh hưởng An ninh Quốc phòng. ........................................................................................... 97 Bảng 344. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Ảnh hưởng An ninh Quốc phòng. ...................................................................... 97 Bảng 345. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Phát triển vùng dọc tuyến. ...................................................................................................... 98 Bảng 346. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Phát triển vùng dọc tuyến. .................................................................................... 98 Bảng 347. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Chi phí xây dựng. ...................................................................................................................... 99 Bảng 348. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Chi phí xây dựng. ................................................................................................. 99 Bảng 349. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Chi phí khai thác. ..................................................................................................................... 100 Bảng 350. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Chi phí khai thác. ................................................................................................ 100Bảng 351. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Doanh thu vận tải. ................................................................................................................. 101 Bảng 352. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Doanh thu vận tải................................................................................................ 101 Bảng 353. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Công nghệ thi công. ............................................................................................................... 102 Bảng 354. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Công nghệ thi công. ............................................................................................ 102 Bảng 355. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Đơn giá. .............................................................................................................................. 103 Bảng 356. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Đơn giá. .............................................................................................................. 103 Bảng 357. Ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Địa chất. .............................................................................................................................. 104 Bảng 358. Chuẩn hóa ma trận phương án tốc độ mục tiêu 300(kmh) theo tiêu chí Địa chất. ............................................................................................................. 104 Bảng 359. Tính điểm cho phương án Imax = 12000................................................. 105 Bảng 360. Tính điểm cho phương án Imax = 15000................................................. 106 Bảng 361. Tính điểm cho phương án Imax = 20000................................................. 107 Bảng 362. Tính điểm cho phương án Imax = 25000................................................. 108 Bảng 363. Tổng hợp kết quả tính toán theo phần mềm VBA phương án 300 Kmh .............................................................................................................................. 109 Bảng 364. Tổng hợp kết quả tính toán theo phần mềm VBA các phương án ......... 109DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 11. Lực tác dụng lên các bánh xe trong đường cong ....................................... 13 Hình 12. Bánh dẫn hướng trườn lên ray .................................................................. 13 Hình 13. Đường cong sác xuất độ cảm giác ........................................................... 22 Hình 14. Quan hệ Nachưa ..................................................................................... 16 Hình 15. Đường cong thí nghiệm tại hiện trường sóng áp lực khi tàu gặp nhau ...... 21 Hình 16. Sóng áp lực do các tàu phổ thông gặp nhau .............................................. 21 Hình 17. Sóng áp lực do tàu có dạng hình khí động học gặp nhau .......................... 22 Hình 21. Mô hình đánh giá đa chỉ tiêu .................................................................... 29 Hình 22. Mô hình chung về mối quan hệ giữa những người tham gia vào quá trình đánh giá ................................................................................................................... 36 Hình 23. Sơ đồ phân tích các chỉ tiêu đánh giá ....................................................... 42 Hình 24. Sơ đồ xác định tầm quan trọng tương đối của các chỉ tiêu mức y ............. 45 Hình 25. Sơ đồ thực hiện đánh giá đa chỉ tiêu để lựa chọn hợp lý phương án cần so sánh ......................................................................................................................... 50 Hình 26. Mô hình phân tích đa chỉ tiêu để lực chọn TSKTCB của tuyến ĐSCT. .... 53 Hình 27. Đường cong lực cản vận hành, điện năng kép, thời gian vận hành biến đổi theo tốc độ của nhóm toa động cơ ICE, TGV ........................................................... 61 Hình 28. Minh họa sự phụ thuộc của trị số sóng áp lực với vận tốc đoàn tàu, trong hình trên: ................................................................................................................. 63 Hình 29. Tốc độ của luồng không khí chuyển động dọc theo đoàn tàu là một hàm của khoảng cách từ đoàn tàu đến điểm đang xét, diện tích mặt cắt ngang và hình dạng của đoàn tàu. ............................................................................................................ 64 Hình 210. Sơ đồ phương pháp lựa chọn hợp lý TSKTCB của tuyến ĐSCT bằng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu............................................................................ 72 Hình 31. Sơ đồ phân tích các chỉ tiêu. ..................................................................... 74 Hình 32. Sơ đồ tính toán lựa chọn các TSKTCB hợp lý nhất .................................. 75 Hình 33. Toàn bộ hướng tuyến. .............................................................................. 75 Hình 34. Bản đồ địa hình tuyến ĐSCT. .................................................................. 77 Hình 35. Tính toán trọng số các chỉ tiêu tiêu chuẩn. ............................................... 84 Hình 36. Tính toán trọng số các chỉ tiêu chi tiết ...................................................... 85 Hình 37. Đồ thị trọng số các tiêu chuẩn theo các tiêu chí vận tốc 300. .................... 851 MỞ ĐẦU Đường sắt cao tốc là loại hình giao thông vận tải được phát triển ở nhiều nước Châu Âu, ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số quốc gia khác từ những năm cuối của thập kỷ 20. Loại hình giao thông vận tải này đã khẳng định những ưu việt và sức cạnh tranh với các loại hình giao thông vận tải khác như hàng không, đường bộ, đường biển … Việc xây dựng đường sắt cao tốc ở Việt Nam cũng đã được bàn đến trong thời gian qua và hiện đang tích cực thực hiện quy hoạch và các nghiên cứu khả thi với 1 số đoạn trên tuyến Bắc Nam. Trong quá trình nghiên cứu có các đề xuất khác nhau cả về quan điểm đầu tư liên quan đến nguồn lực, hiệu quả kinh tế và các quan điểm về lựa chọn thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường. 1. Lý do chọn đề tài Mỗi một tổ hợp các thông số kỹ thuật cơ bản của một tuyến đường sắt cao tốc tương ứng với một sơ đồ năng lực vận chuyển và hiệu quả kinh tế xã hội của tuyến đường đó. Bài toán lựa chọn tổ hợp các thông số cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc là bài toán phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố. Nếu sử dụng các phương pháp truyền thống thì cần rất nhiều thời gian và kinh phí để khảo sát số liệu, tính toán, so sánh nhưng cũng chỉ cho độ hợp lý, tin cậy tối ưu với từng thông số, việc hợp lý cho cả tổ hợp gặp nhiều khó khăn. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu, đề xuất phương pháp nhanh lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật cơ bản của đường sắt cao tốc trong điều kiện Việt Nam chưa có đường sắt cao tốc. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cho việc xây dựng tuyến đường mới khổ tiêu chuẩn, đường đôi; không xét cải tạo nâng cấp đường cũ. Chỉ giới hạn các thông số kỹ thuật cơ bản nhất của tuyến đường sắt cao tốc theo tiêu chuẩn ngành 22 TCN36207, gồm: Tốc độ thiết kế (Tốc độ mục tiêu), bán kính đường cong tròn tối thiểu, độ dốc tối đa của chính tuyến và khoảng cách giữa hai tim đường. 4. Phương pháp nghiên cứu Thực hiện phân tích một cách có hệ thống các điều kiện chưa xác định được rõ ràng (Chỉ tiêu mờ), ảnh hưởng đến quá trình lựa chọn thông số kỹ thuật đường sắt cao tốc.2 Phương pháp tiến hành được dựa trên các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết thông tin, lý thuyết xác suất, các phương pháp ra quyết định, phương pháp chuyên gia,… 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Góp phần làm sáng tỏ cơ sở lý luận về các tiêu chí kỹ thuật cơ bản của đường sắt cao tốc, ảnh hưởng của các thông số này đến hiệu quả kinh tế, xã hội, môi trường và các yêu cầu kỹ thuật trong khai thác. Cách lựa chọn nhanh các thông số kỹ thuật cơ bản hợp lý nhất của đường sắt cao tốc trong điều kiện Việt Nam chưa có đường sắt cao tốc để xem xét chủ trương xây dựng, lập nhiệm vụ nghiên cứu khả thi dự án xây dựng 1 tuyến đường sắt cao tốc tại Việt Nam.3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA TUYẾN ĐƯỜNG SẮT CAO TỐC 1.1. Các khái niệm 1.1.1. Đường sắt phổ thông Đường sắt phổ thông là đường sắt có các thông số kỹ thuật chỉ đáp ứng cho khai thác với vận tốc tối đa là 120kmh. Theo lịch sử phát triển, đường sắt phổ thông có một số loại khổ đường: Khổ hẹp (≤1000mm); khổ tiêu chuẩn (1435mm) và khổ rộng (>1435mm). Đối với Việt Nam hiện mới chỉ có loại hình đường sắt phổ thông. 1.1.2. Đường sắt cận cao tốc Đường sắt cận cao tốc là đường sắt có các thông số kỹ thuật có thể đáp ứng cho khai thác với vận tốc tối đa đến 200kmh. Đường sắt cận cao tốc thường áp dụng tại một số tuyến đường sắt phổ thông có điều kiện cải tạo, nâng cấp từ đường sắt phổ thông để đáp ứng nhu cầu tăng năng lực vận tải trong giai đoạn nhất định. 1.1.3. Đường sắt cao tốc Đường sắt cao tốc là đường sắt có các thông số kỹ thuật có thể đáp ứng cho khai thác với vận tốc > 200kmh. Đường sắt cao tốc hiện đã được xây dựng từ cuối thế kỷ 20 tại một quốc gia Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và ngày càng phát huy được hiệu quả kinh tế, đặc biệt với vận tải hành khách. 1.1.4. Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt Thông số kỹ thuật cơ bản là các yếu tố kỹ thuật chủ yếu được lựa chọn để thiết kế và xây dựng một tuyến đường sắt. Các thông số kỹ thuật cơ bản phụ thuộc vào cấp kỹ thuật của tuyến đường. Các thông số kỹ thuật khác nhau của 1 tuyến đường sắt bao gồm: Các chỉ tiêu về về năng lực khai thác, các yếu tố hình học, hệ thống thông tin tín hiệu. Trong khuôn khổ luận án này chỉ giới hạn nghiên cứu lựa chọn các thông số thiết kế kích thước hình học của tuyến đường sắt tốc độ cao. 1.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản và các quy định chung 1.2.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của đường sắt phổ thông Qua các tài liệu tham khảo 14, 42; các nước và Việt Nam đều ban hành các tiêu chuẩn thiết kế đường sắt phổ thông với các thông số kỹ thuật cơ bản đối với tuyến đường sắt phổ thông gồm: + Khổ đường + Số đường chính tuyến4 + Loại sức kéo + Độ dốc hạn chế + Trọng lượng đoàn tầu và chiều dài sử dụng đường đón gửi + Khả năng thông qua tính toán để phân bố điểm phân giới Mỗi TSKTCB được quy định rõ cận dưới hoặc cận trên trong các tiêu chuẩn thiết kế. Nhiệm vụ của người thiết kế là xác định cụ thể từng thông số trong miền giá trị mà tiêu chuẩn đã xác định. 1.2.2. Thông số kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt cao tốc 7 1.2.2.1. Cơ sở xác định các TSKTCB của tuyến ĐSCT Như trên đã nêu, đường sắt phổ thông có 6 TSKTCB. Khi sử dụng cho ĐSCT thì có 3 thông số không phù hợp, đó là: Khổ đường: ĐSCT chỉ sử dụng khổ tiêu chuẩn (1435mm) vì khi chạy tốc độ cao mới đảm bảo ổn định. Hầu hết các nước trên thế giới xây dựng ĐSCT đều sử dụng khổ tiêu chuẩn. Loại sức kéo: ĐSCT chỉ sử dụng sức kéo điện, không dùng sức kéo diezel, bởi sức kéo điện có ưu điểm là sức kéo lớn, đáp ứng yêu cầu tốc độ cao khi phải chạy tàu trên dốc lớn. ĐSCT của các nước trên thế giới đều dùng sức kéo điện. Khả năng thông qua Ntt để xác định điểm phân giới: ĐSCT sử dụng tối thiểu 2 đường cho các chiều đi về riêng biệt. Vì vậy năng lực thông qua không phụ thuộc nhiều vào cự ly giữa các ga do các đoàn tàu không phải chờ tránh nhau. Do đó, đối với ĐSCT không xác định Ntt là TSKTCB. Như vậy, ĐSPT và ĐSCT có 3 TSKTCB giống nhau, đó là: Độ dốc dọc tối đa, số đường chính tuyến và chiều dài đón gửi tàu. Ngoài 3 TSKTCB trên, đối với ĐSCT có 3 TSKTCB cần phải xác định khác biệt với ĐSPT, đó là: Vận tốc thiết kế (Tốc độ mục tiêu): Thông số này có ý nghĩa rất lớn đối với các chỉ tiêu Kỹ thuật Kinh tế của tuyến ĐSCT. Nó cũng là cơ sở để tính toán, xác định 1 số thông số khác. Bán kính đường cong nằm tối thiểu: Đảm bảo an toán cho chuyển động của đoàn tàu và độ thoải mái của hành khách đi tàu. Khoảng cách tối thiểu giữa các tim tuyến: Để đảm bảo an toàn cho 2 đoàn tàu khi chạy trên 2 đường liền kề 1.2.2.2. Giới thiệu quy định về TSKTCB của một số nước Hiệp hội đường sắt châu Âu (AGC) thuộc hội đồng kinh tế châu Âu (ECE) đã đưa ra quy định thống nhất về thông số kĩ thuật chủ yếu của mạng lưới đường sắt châu Âu.Tuyến chuyên chạy tầu khách: tốc độ thiết kế 300kmh, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,2m, độ dốc tối đa 35%o. Tuyến chuyên chạy tầu khách và tầu hàng: tốc độ thiết kế 250kmh, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,2m, độ dốc tối đa 12,5%o, chiều dài sử dụng đường ga tối thiểu 750m.5 Nhật: Tuyến lúc đầu chạy cả tầu hàng và tầu khách sau chỉ chuyên chở hành khách Đông Hải khánh thành năm 1964, khi đó tốc độ cao nhất lấy là 210kmh và bán kính nhỏ nhất là 2500m, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,2m, độ dốc tối đa 15%o. Tuyến Sơn Dương tốc độ cao nhất lấy là 250kmh và bán kính nhỏ nhất là 4000m, độ dốc tối đa 15%o, chiều dài sử dụng đườngđón gửi tầu 530m. Tuyến Đông Bắc, Thượng Việt, Bắc Lục đều lấy tốc độ cao nhất là 250kmh và bán kính nhỏ nhất là 4000m. Khoảng cách giữa 2 tim đường 4,3 m, độ dốc tối đa 15%o, chiều dài sử dụng đườngđón gửi tầu 530m Đức: Tuyến HanowayWayxibaoManhamustuca là tuyến đường sắt đôi chạy cả tầu hàng và tầu khách tốc độ cao nhất tầu khách 250kmh, tầu hàng 120kmh và bán kính nhỏ nhất là 7000m. Độ dốc tối đa 12,5%o. Khoảng cách giữa 2 tim đường 4,7m. Tuyến BecLin Hanoway là tuyến đường sắt đôi chạy cả tầu hàng và tầu khách có tốc độ cao nhất tầu khách 250kmh, tầu hàng 120kmh và bán kính nhỏ nhất là 4400m. Độ dốc tối đa 12,5%o. Khoảng cách giữa 2 tim đường 4,7m. Tuyến FrangFuoc CuLong là tuyến đường sắt đôi chạy cả tầu hàng và tầu khách có tốc độ cao nhất tầu khách 300kmh, tầu hàng 120kmh và bán kính nhỏ nhất là 3500m. Độ dốc tối đa 40%o. Khoảng cách giữa 2 tim đường 4,5m. Pháp: Các tuyến đường sắt đôi chạy tốc độ tối đa 230kmh có bán kính nhỏ nhất là 2500m, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,0m; Các tuyến đường sắt đôi chạy tốc độ tối đa 270kmh có bán kính nhỏ nhất là 3460m, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,2m; Các tuyến đường sắt đôi chạy tốc độ tối đa 300kmh có bán kính nhỏ nhất là 4545m, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,5m; Các tuyến đường sắt đôi chạy tốc độ tối đa 350kmh có bán kính nhỏ nhất là 7430m, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,8m; Thụy Điển: Do đặc điểm riêng của mình mà đường sắt Thụy Điển tập trung vào chế tạo đoàn tầu kiểu lắc X2000 bảo đảm các tác dụng động lực của đoàn tầu tốc độ 200kmh cũng giống như tác dụng động lực của các đoàn tầu tốc độ 160kmh, nhờ đó giảm thiểu việc cải tạo hay xây dựng đường. Vì thế tiêu chuẩn ĐSCT thấp hơn tiêu chuẩn ĐSCT của Pháp, Đức, Nhật đặc biệt là bình đồ, trắc dọc và cầu hầm. Tốc độ max 200kmh, độ dốc max 10%o, bán kính nhỏ nhất 400m, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,5m Italia: Tuyến RômaFrôluan là tuyến đường sắt đôi chạy tầu khách và tầu hàng tốc độ tối đa 250kmh, tuyến có 5km đặt thí điểm 5,4km đường không có đá, bán kính nhỏ nhất là 4000m. Tây Ban Nha: Tuyến MadritXaaywaylia là tuyến đường sắt đôi chạy tầu khách và tầu hàng tốc độ tối đa 250kmh, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,2m, độ dốc max 12,5%o, bán kính tối thiểu là 4000m; các tuyến chuyên chạy tầu khách tốc độ tối đa 300kmh, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,3m, độ dốc max 35%o, bán kính tối thiểu 4000m.6 Hàn Quốc: Tuyến đường đôi Seoul Busal có tốc độ thiết kế cao nhất 350kmh,bán kính tối thiểu là 7000m, độ dốc lớn nhất 25%o, khoảng cách giữa 2 tim đường 5,0m Trung Quốc: Tuyến đường đôi Bắc Kinh Thượng Hải là tuyến chuyên chạy tầu khách có tốc độ thiết kế 350 kmh, độ dốc tối đa 12%o,bán kính tối thiểu của chính tuyến khu gian ở điều kiện bình thường lấy 7000m, khoảng cách giữa 2 tim đường chính tuyến trong khu gian và trong ga đều lấy là 5,0m. Đài Loan: Tuyến đường đôi Đài Bắc Cao Hùng có tốc độ thiết kế 350kmh, bán kính nhỏ nhất là 6250m, độ dốc lớn nhất 25%o, khoảng cách giữa 2 tim đường 4,5m Bảng 11. Thống kê TSKTCB của một số tuyến đường sắt cao tốc trên thế giới. Đức Pháp Nhật Ý Đài Loan Hàn Quốc ManHanây Stusatơ HămBuôc Wâysbao Tuyến Đông Nam TGV Tuyến Đại Tây Dương TGV Tuyến Đông Hải Tuyến Sơn Dương Tuyến Đông Bắc Tuyến Thượng Việt RômaFuRô Luân Đài Bắc Cao Hùng SoulBusan Phương thức vận doanh Nối mạng Nối mạng Độc lập Nối mạng Độc Lập Độc lập Vthiết kế (kmh) 280 295 330 210 260 260 300 350 350 Vkhai thác (kmh) 250 270 300 220 230 240 250 300 300 Rmin(m) 7000 4000 4000 2500 4000 4000 6.250 7000 Imax,%o 12,5 35 25 20 15 8,5 25 25 Dmin(m) 4,7 4,2 4,5 4,2 4,3 4,0(4,3) 4,5 5, 0 B (m) 3,27 2,8 3,38 3,38 3,02 3,38 Y(m) 1,43 1,04 (1,70) 0,82 0,92 0,98(1,28) 1.12 Ghi chú: Các số ( ) là chỉ điều kiện khó khăn 1.2.2.3. Đối với Việt Nam: Trên cơ sở tham khảo tài liệu nước ngoài; Bộ GTVT đã ban hành quy định tiêu chuẩn cấp kỹ thuật đường sắt tại Tiêu chuẩn ngành 22TCN36207 như sau: Tốc độ thiết kế (tốc độ mục tiêu): Vmax ≤ 350kmh Bán kính đường cong nằm + Điều kiện bình thường: Rmin ≥ 5000m + Điều kiện khó khăn: cho phép điều chỉnh theo tốc độ7 Độ dốc dọc tối đa + Điều kiện bình thường: Imax ≤ 25‰ + Điều kiện khó khăn hoặc tuyến được điện khí hóa: Imax ≤ 30‰ Kích thước nền đường + Từ tim đến vai đường ≥ 4,5m + Khoảng cách giữa 2 tim đường: D ≤ 5m 1.2.2.4. TSKTCB của tuyến ĐSCT Qua tài liệu giới thiệu về ĐSCT của nước ngoài, các tiêu chuẩn của Việt Nam; xác định 6 TSKTCB khi nghiên cứu thiết kế, xây dựng 1 tuyến ĐSCT, gồm: 1. Tốc độ thiết kế (Vtk): Có các dải tốc độ 200kmh 250kmh; 250kmh 300kmh và 300kmh 350kmh. Chọn một giá trị tốc độ phù hợp với đường sắt nước ta. 2. Số đường chính tuyến (n): Toàn tuyến phải thiết kế đường đôi xây dựng một lần. Cả hai tuyến đều phải có các trị số như nhau đối với độ dốc tối đa, bán kính đường cong tối thiểu, chiều dài sử dụng đường đón gửi tầu, đầu máy chạy trên tuyến, phương thức khống chế chạy tầu, giãn cách thời gian nhỏ nhất của các đoàn tầu chạy đuổi. Các tiêu chuẩn kỹ thuật đó được xác định bằng cách so sánh về kinh tế kỹ thuật tùy theo tốc độ thiết kế của tầu khách, địa chất, địa hình dọc tuyến, năng lực vận chuyển … Cần thiết kế đường đôi 2 chiều vì ĐSCT có mật độ chạy tầu lớn, cự ly chạy tầu dài, khả năng điều chỉnh vận tải lớn. Trong trường hợp duy tu tuyến đường hoặc trường hợp đặc biệt đoàn tầu tuyến chuyên chạy tầu khách có thể chạy qua độ tuyến, vận hành ngược chiều để điều chỉnh biểu đồ chạy tầu, hạn chế ít nhất ảnh hưởng đến hành khách. Vậy n = 2. 3. Khoảng cách tối thiểu giữa các tim tuyến (D): Là khoảng cách ngắn nhất giữa tim tuyến chiều đi và tim tuyến chiều về ở khu gian. Nó được quy định theo vân tốc thiết kế: Tốc độ thiết kế (kmh) 200 250 350 Dmin (m) 4,4 4,6 5,0 Khoảng cách giữa các tim tuyến trong ga ngoài việc phụ thuộc tốc độ của tuyến bên cạnh và cao độ nền đường tuyến bên cạnh như ở chính tuyến, còn phụ thuộc điều kiện thiế bị ga, thoát nước nền đường, tấm cách âm, cầu cống, đường cho nhân viên đi lại làm việc… tối thiểu không nên nhỏ hơn 5,0m Trên đường sắt chạy cả tầu khách và tầu hàng, nếu bố trí cột điện nằm giữa các tuyến thì khoảng cách giữa 2 tim tuyến trong ga không nên nhỏ hơn 5,3m Ở tuyến chuyên chạy tầu khách nó bị khống chế bởi lực khí động học khi tầu tuyến đi gặp tầu tuyến về. Căn cứ vào sóng áp lực khi 2 tầu gặp nhau để quyết định khoảng cách giữa các đường. Một mặt phải nghiên cứu phân tích quy luật trị8 số sóng áp lực lớn nhất khi hai tầu gặp nhau ∆Pmax tác dụng lên đoàn tầu và đại lượng ∆Pmax biến đổi theo thời gian (∆Pmax∆t) theo khoảng cách 2 thành tầu liền kề (Y); Mặt khác phải xác định trị số sóng áp lực lớn nhất cho phép ∆Pmax. Bảng thống kê trị số Y theo Vmax của các loại tầu của Nhật Bản, Pháp và Đức xem tài liệu 1 Các đặc trưng của sóng áp lực + Trị số sóng áp lực tác dụng lên 2 thành tầu liền kề nhau tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc tầu chạy hướng đối diện ở đường bên cạnh (đoàn tầu ngược chiều gặp nhau) + Nếu 2 đoàn tầu có ngoại hình tương tự nhau, sóng áp lực đoàn tầu tốc độ thấp nhận được, lớn hơn sóng áp lực mà đoàn tầu tốc độ cao nhận được. + Trị số sóng áp lực tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai thành liền kề của các tầu gặp nhau. Sóng áp lực ở cửa sổ tàng dưới tầu 2 tầng lớn hơn sóng áp lực ở cửa sổ toa xe 1 tầng. + Sóng áp lực thay đổi theo cao độ điểm đo, cao độ càng thấp, áp lực càng lớn. +Trị số sóng áp lực liên quan đến ngoại hình đoàn tầu (hình dáng khí động học đầu máy, toa xe, chiều rộng toa xe và chiều dài đoàn tầu), trong đó ảnh hưởng của hính dáng khí động học đầu tầu là lớn nhất. Trị số sóng áp lực cho phép. Căn cứ trên việc thử nghiệm các đoàn tàu ở vận tốc 200kmh, tầu chạy trên đường thẳng sóng áp lực ở tại cửa sổ toa tầu mà tầu chạy an toàn để quy định trị số sóng áp lực cho phép là 1,2kpa. Ví dụ: Vmax=200kmh; B=3,4m; D=4,2m; Sóng áp lực là: 1,41 kpa>1,2kpa (không đạt) Vmax=200kmh; B=3,4m; D=4,4m; Sóng áp lực là: 1,17 kpahq và hg >hg ( điều này không cho phép). Vậy khi xác định siêu cao thiết kế để thỏa mãn sự biến đổi của tình hình vận tải ở hiện trường cần điều chỉnh siêu cao thực đặt một lượng ∆h, tức là: hq+hg = hq + hg ∆h ∆h= 2050 mm, phụ thuộc số đôi tầu, trọng lượng tầu tốc độ tầu hàng và tốc độ tầu khách. Vậy hq+hg = 110 mm (điều kiện bình thường); hq+hg =140mm (khó khăn) + Công thức xác định bán kính Rmin Trên tuyến chạy tầu khách và tầu hàng nó phải thảo mãn điều kiện sau: h= (11, 8 VgR)h q ≥ (11, 8 VgR)h q h= (11, 8 VzR) +hg ≥ (11, 8 VzR) + hg Do đó Rmin= 11, 8 (V2 gV z2) hq+hg Trên tuyến chuyên chạy tầu khách bán kính Rmin xác định công thức sau:10 Rmin= 11, 8 V max2 h+hq ở đây Vmax là tốc độ thiết kế cao nhất của đoàn tầu khách. Tuyến chuyên chạy tầu khách Tuyến chạy tầu khách và hàng Vmax(kmh) Rmin (m) VkháchVhàng(kmh) Rmin (m) 200 2.200 200120 2.800 250 3.500 250140 4.600 300 5.000 300160 7.000 350 6.600 Không tổ chức chạy tầu hàng 5. Độ dốc tối đa (1225%o): Độ dốc tối đa của chính tuyến ở khu gian cần căn cứ loại công nghệ đoàn tầu và tình hình công trình độ do dốc cao thấp gây ra, thông qua việc kiểm toán sức kéo đoàn tầu chạy vượt dốc tối đa mà xác định được. Nhưng độ dốc tối đa không nên lớn hơn 25%o. Đường sắt tầu hàng và tầu khách cùng chạy trên tuyến thì độ dốc tối đa của tuyến đó được xác định bởi yêu cầu vận hành của tầu hàng. Đường sắt chỉ chuyên chạy tầu khách sử dụng nhóm toa nhẹ, trong khi động cơ lại có công suất lớn, tính năng kéo và hãm tốt nên thích ứng với việc vận hành trên độ dốc lớn. Độ dốc tối đa phụ thuộc mô hình tổ chức chạy tầu và địa hình tuyến đi qua. Đường sắt Pháp và Nhật dùng mô hình tổ chức chạy chuyên tầu khách nên có độ dốc tối đa từ 2535%o và 1520%o. Đường sắt Đức và Ý dùng mô hình tầu hàng và tầu khách chạy chung đường, nên độ dốc tối đa 12,5%o và 8,5%0. Đường sắt Trung Quốc nói chung dùng mô hình tầu cao tốc và tầu trung tốc chạy chung tuyến. Động lực của nhóm toa động cơ cao tốc tương đối lớn, nên có thể đạt tốc độ cao nhất cho phép khi chạy trên dốc lớn. Vì vậy độ dốc max phụ thuộc vào đặc tính kéo (kéo bằng 1 hay 2 đầu máy) và điều kiện lập tầu (số toa trên đoàn tầu) của đoàn tầu chạy liên tuyến. Kết hợp điều kiện địa hình (đường bộ chạy trên cao, công trình giao cắt lập thể…đòi hỏi dốc lên xuống liên tục, cần tiến hành so sánh chọn lựa độ dốc tối đa hợp lý. 6. Chiều dài sử dụng của đường đón gửi tầu trong ga không nhỏ hơn 480m. Chiều dài sử dụng đường đón gửi tầu khách phải không nhỏ hơn 480m. Chiều dài sử dụng của đường đón gửi cần đảm bảo cho đoàn tầu dài nhất giữa tầu khách chạy liên tuyến và tầu khách chỉ chạy trên tuyến tốc độ cao. Các nghiên cứu của Đức, pháp, Nhật thì chiều dài sử dụng của đường đón gửi ngoài việc phù hợp chiều dài đoàn tầu còn phải xét tới chiều dài an toàn. Thông thường số toa xe nhiều nhất trong một đoàn tầu là 16, khi đó chiều dài đoàn tầu là 16x26m = 416m, lấy tròn 420m, lượng dự trữ dừng tầu về mỗi phía là 30m,thì chiều dài dừng tầu có hiệu của đường đón gửi là 480m.11 1.3. Sự cần thiết phải lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật trên tuyến ĐSCT Như trên đã trình bày, mỗi TSKTCB có một miền giá trị được giới hạn bởi các cận dưới hoặc cận trên xác định theo các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật chung hoặc các kết quả nghiên cứu từ thực nghiệm, từ kinh nghiệm của các nước đã có ĐSCT. Giá trị hợp lý nhất của TSKTCB chính là giá trị nằm trong miền giới hạn đó sao cho thỏa mãn tốt nhất các mục tiêu về năng lực khai thác và hiệu quả kinh tế xã hội của tuyến đường. Vì vậy, lựa chọn các TSKTCB rất cần thiết và quan trọng vì với mỗi tổ hợp các giá trị TSKTCB tạo cho tuyến đường một trị số năng lực và hiệu quả kinh tế xã hội. Việc tìm ra một tổ hợp các thông số kỹ thuật cơ bản nào thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trong khai thác nhưng đạt hiệu quả kinh tế xã hội tốt nhất chính là lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật cơ bản. Việc lựa chọn hợp lý các thông số kỹ thuật cơ bản là bài toán phức tạp vì vậy cần lựa chọn phương pháp và công cụ hỗ trợ tính toán tin cậy, tăng độ chính xác, giảm thời gian và chi phí tính toán. 1.4. Lựa chọn thông số kỹ thuật cơ bản trên tuyến đường sắt cao tốc 1.4.1. Phương pháp lựa chọn riêng biệt từng thông số kỹ thuật cơ bản Bằng cách tìm các nhân tố ảnh hưởng đến mỗi thông số kỹ thuật cơ bản từ đó đề ra miền xác định mỗi thông số và bằng cách xây dựng công thức định lượng để xác định một giá trị hợp lý nhất trong miền xác định đó. Cụ thể như sau: 1.4.1.1. Chọn tốc độ thiết kế (tốc độ mục tiêu) 7, 8 Tốc độ mục tiêu là tốc độ cao nhất có thể vận hành trên đa số khu đoạn của tuyến đường sắt tốc độ cao. Tốc độ mục tiêu nói chung phân ra 200, 250, 300, 350 kmh Tốc độ mục tiêu phụ thuộc vào 05 nhân tố chính sau: Tầm quan trọng của tuyến đường: Tuyến nối Thủ đô với thành phố đặc biệt lớn hay giữa các thành phố lớn với nhau Quan hệ giữa tốc độ và giá thành xây dựng. + Nói chung tốc độ mục tiêu càng cao thì tiêu chuẩn phải cao do đó giá thành xây dựng phải cao. Nhưng mức độ chênh lệch tuỳ theo điều kiện địa hình ở đồng bằng xét khối lượng đào đắp giá thành không tăng nhiều lắm. + Các nhân tố liên quan trực tiếp là: . Khoảng cách giữa các tim tuyến càng lớn khi tốc độ mục tiêu lớn.12 . Chiều dầy đệm đường và lớp mặt. + Các nhân tố ít hoặc không liên quan . Yêu cầu về độ lún sau thi công . Loại hình ray, tà vẹt, phụ kiện, tải trọng cầu, tiêu chuẩn lu lèn lớp mặt đường đắp, loại đá đoạn đường lồi vào cầu. + Tốc độ càng cao chênh lệch giá thành xây dựng càng nhỏ. Quan hệ giữa tốc độ và tiêu hao năng lượng + Tốc độ chạy tầu tăng thì lực cản không khí tăng tỉ lệ với bình phương tốc độ chạy tầu (Lực cản không khí là thành phần chủ yếu của lực cản (80% trở lên)). + Lượng tiêu hao năng lượng tỉ lệ thuận với tăng lực cản. Ảnh hưởng giữa tốc độ và năng lực cạnh tranh với phương tiện giao thông khác. + Tổng thời gian lữ hành và chi phí lữ hành là mục tiêu cạnh tranh. + Máy bay có tổng thời gian lữ hành tăng do thời gian phụ lớn. + Chi phí lữ hành của tầu cao tốc = 40% 50% máy bay. + Đường ôtô cao tốc có tốc độ bình quân thấp (85 100 kmh) vào đô thị tốc độ giảm làm thời gian phụ tăng. + Phương diện an toàn đúng giờ, tốc độ và độ thích nghi đi tầu của hành khách thì đường sắt tốc độ cao có ưu thế hơn cả. Ảnh hưởng của tốc độ đối với môi trường: + Tốc độ càng cao thì ma sát của thân tầu với không khí càng lớn và tiếng ồn càng cao. Chọn tốc độ tối ưu cho tuyến đường sắt tốc độ cao phải tổng hợp 5 nhân tố trên. 1.4.1.2. Bán kính đường cong tròn tối thiểu (Rmin). 16 Nó phụ thuộc các yếu tố sau: Tính an toàn + Hệ số trật bánh: Q 0.8 P + Trị số hạn chế lực ngang (thủy bình) 20 Dưới tác dụng của lực ngang hướng ngang, đường (ray) phát sinh chuyển vị ngang. Nếu lực này tương đối lớn mà cường độ ngang không đủ chống lại lực nằm ngang tương đối lớn thì đường sẽ biến dạng nghiêm trọng (cầu ray chuyển dịch ngang trên đệm đường hoặc chèn lật ray), dẫn đến trật bánh. Vì vậy cần hạn chế lực nằm ngang chiều ngang. Theo quy định trong “Quy phạm đánh giá, giám định thí nghiệm tính năng động lực học toa xe đường sắt” (GB559985) của Trung Quốc, khi có tác dụng lực nằm ngang hướng ngang của đường tà vẹt, bê tông, cần sử dụng các trị số giới hạn sau:13 0,85 15 1 2 2 P P H kN (11) Trong c«ng thøc: H: Lùc ngang ë gi÷a b¸nh xe ray. ThÝ dô: ë h×nh 11, lùc cña trục thø nhÊt H=F1 – Y1 – Y2 (12) P1,P2: T¶i träng b¸nh tÜnh cña hai b¸nh trªn mét trôc (kN) Hình 11. Lực tác dụng lên các bánh xe trong đường cong + TÝnh to¸n hÖ sè trËt b¸nh Toa xe cã trËt b¸nh hay kh«ng liªn quan ®Õn tû sè lùc c¶n n»m ngang híng ngang víi t¶i träng b¸nh. Nh©n tè chÝnh cña trËt b¸nh lµ do b¸nh xe trên lªn ray g©y nªn. Hình 12. Bánh dẫn hướng trườn lên ray H×nh 12 biÓu thÞ tr¹ng th¸i giíi h¹n khi mét b¸nh xe dÉn híng trên lªn ray. Tõ trªn h×nh cho thÊy, ®iÓm tiÕp xóc cña gê b¸nh xe víi ray lµ B. T¹i B cã t¶i träng b¸nh P1 t¸c dông vµ lùc n»m ngang híng ngang H. AB lµ mÆt c¾t gê b¸nh xe t¹i ®iÓm tiÕp xóc b¸nh xe ray, nã t¹o víi mÆt ph¼ng n»m ngang mét gãc , gãc nµy ®îc gäi lµ gãc gê b¸nh, thêng lÊy lµ 600 ~ 800 §em tÊt c¶ c¸c lùc cña ®«i b¸nh lªn ph¬ng AB vµ ph¸p tuyÕn CD vu«ng gãc víi AB, ®îc lùa lµm b¸nh xe trît xuèng theo mÆt AB lµ: P H P sin cos cos 214 Lùc ng¨n c¶n toa xe trît xuèng theo mÆt AB lµ: N P H P 2 1 2 cos sin sin Trong c«ng thøc: P1: T¶i träng b¸nh xe dÉn híng P2: T¶i träng b¸nh xe phÝa trong H: Lùc n»m ngang híng ngang 1: HÖ sè ma s¸t, trît ®éng t¹i ®iÓm tiÕp xóc b¸nh xe dÉn híng vµ ray thêng lÊy 1 = 0,2 ~ 0,3 2: HÖ sè ma s¸t trît ®éng mÆt l¨n b¸nh xe phÝa trong trªn mÆt ®Ønh ray, nãi chung lÊy 1 = 2 = §Ó b¶o ®¶m b¸nh xe kh«ng bß lªn ®Ønh ray, ph¶i cã: T N Tøc lµ: P H P P H P sin cos cos cos sin sin 2 1 1 2 2 Sau khi biến đổi được: 1 0 2 1 1 Ht L tg P tg (13) §Æt: 1 tg k tg Th× c«ng thøc trªn biÕn ®æi thµnh: 2 1 H P k P (14) C«ng thøc (13) ®îc gäi lµ c«ng thøc Nadals, k ®îc gäi lµ hÖ sè trËt b¸nh. TrÞ sè k biÕn ®æi theo vµ , k cµng lín chøng tá tû sè 2 1 H P P t¨ng lªn vµ kh«ng trËt b¸nh. TÝnh to¸n cho thÊy khi = 600, = 0,250, k = 1,25 Khi = 650, = 0,364, k = 1,00 V× vËy h¹ thÊp hÖ sè ma s¸t gi÷a b¸nh xe ray, cã thÓ t¨ng k, gi¶m nguy c¬ trît b¸nh. C¨n cø c¸c th«ng tin sù cè trËt b¸nh mÊy n¨m gÇn ®©y ë níc ta, phÇn lín trËt b¸nh x¶y ra trong mïa nãng nùc, mét trong nh÷ng nguyªn nh©n lµ v× hÖ sè ma s¸t t¨ng (®¹t 0,4)15 C¨n cø lý luËn trªn vµ hµng lo¹t thÝ nghiÖm, Trung Quốc quy ®Þnh nh sau: Trong trêng hîp tèc ®é b×nh thêng, nÕu chØ dïng tû sè gi÷a lùc n»m ngang híng ngang H so víi lùc th¼ng ®øng P1 cña b¸nh xe trên lªn ray hµm hÖ sè trËt b¸nh, th×: TrÞ sè cho phÐp cña hÖ sè trËt b¸nh 1 H 1,2 P TrÞ sè an toµn cña hÖ sè trËt b¸nh 1 H 1,0 P (15) + Tỷ lệ giảm tải trọng bánh: P 0.6 P + Hệ số lật đổ: ® t 0.8 P P D + Ổn định ngang của đường: Q