Mục đích:
Cung cấp các khái niệm chung về lập ph−ơng án cho các công trình xây dựng giao thông. H−ớng dẫn phân tích các tài liệu khi thiết kế các ph−ơng án cầu và ph−ơng pháp lập các ph−ơng án đối với tuyến đ−ờng, cầu, nút giao, hầm.
Nội dung ch−ơng này gồm:
4.1Khái niệm chung.
4.2 Lập ph−ơng án tuyến đ−ờng giao thông.
4.3 Lập ph−ơng án cầu và cầu trong nút giao lập thể.
4.4 Lập ph−ơng án xây dựng các công trình ngầm – Hầm giao thông.
4.1. Khái niệm chung
Việc thiết kế và lựa chọn các ph−ơng án cho các công trình xây dựng giao thông là một bài toán tổng thể vô cùng phức tạp. Bài toán này không những thể hiện về những yều cầu kỹ thuật cần đạt đ−ợc mà còn liên quan đến một số các yếu tố quan trọng khác, đó là: qui hoạch tổng thể về khu vực vị trí xây dựng công trình, các tác động môi tr−ờng, các yếu tố về kinh tế, mỹ quan khu vực, ý nghĩa về mặt xQ hội…Để chọn đ−ợc ph−ơng án thiết kế tốt nhất, ng−ời ta phải thành lập nhiều ph−ơng án, sau đó tính toán cụ thể từng ph−ơng án và đánh giá chúng. Các ph−ơng án nêu ra phải đ−ợc thỏa mQn các yêu cầu về kỹ thuật: phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất thủy văn, đảm bảo độ bền, độ cứng, tuổi thọ, đồng thời phải thỏa mQn các yêu cầu về mặt kinh tế: giá thành công trình hạ, thời gian xây dựng ngắn…Ngoài ra khi lựa chọn ph−ơng án còn cần chú ý đến công nghệ thi công, điều kiện khai thác duy tu bQo d−ỡng, ý nghĩa quốc phòng và yêu cầu mỹ quan của công trình. Những yêu cầu này tùy từng tr−ờng hợp cụ thể mà có thể trở thành yêu cầu khống chế.
Những năm gần đây, sự phát triển công nghệ thông tin đQ thúc đẩy mạnh việc tự động hóa thiết kế các công trình xây dựng giao thông, trong đó có thiết kế các ph−ơng án cầu. Điều kiện này cho phép các kỹ s−, trong thời gian ngắn có thể lựa chọn đ−ợc ph−ơng án tối −u, thỏa mQn đ−ợc các yêu cầu đề ra.
Trang 76
4.2. Lập ph−ơng án tuyến đ−ờng giao thông
Khi lên các ph−ơng án tuyến giao thông cũng nh− các công trình giao thông khác, các yêu cầu cần phải đ−ợc xem xét đến bao gồm: kỹ thuật, kinh tế, qui hoạch, mỹ quan, ý nghĩa xQ hội… Thông th−ờng, khi lên các ph−ơng án tuyến cần chú ý đến các vấn đề sau đây:
4.2.1. Ph−ơng án về vị trí và mặt bằng tuyến
Đối với tuyến xây dựng mới, việc xác định vị trí và mặt bằng tuyến có ý nghĩa rất quan trọng. Vị trí tuyến đ−ợc chọn sao cho có lợi nhất, đảm bảo thỏa mQn đ−ợc các yêu cầu qui hoạch hiện tại và mở rộng trong t−ơng lai, vị trí tuyến đ−ợc chọn sao cho có thể mang lại hiệu quả kinh tế thực sự trong quá trình khai thác. Tuyến đ−ợc chọn ít đi qua các khu vực có điều kiện địa hình, địa chất phức tạp, gây khó khăn cho quá trình xây dựng và tốn kém. Nếu điều kiện cho phép nên chọn vị trí tuyến ít đi qua sông suối để giảm số l−ợng cầu trên tuyến, hạ giá thàn công trình. Mặt khác, vị trí và mặt bằng tuyến đ−a ra phải hết sức chú ý đến vấn đề giải phóng mặt bằng, bồi th−ờng giải toả là ít nhất. Do đó cần đ−a ra nhiều ph−ơng án về vị trí, tiến hành đánh giá theo từng chỉ tiêu cụ thể để có thể lựa chọn đ−ợc vị trí và mặt bằng tuyến hợp lý nhất.
Đối với tuyến nâng cấp cải tạo, vị trí và mặt bằng cần bám theo vị trí cũ để có thể tận dụng đ−ợc phần nào các bộ phận của công trình cũ, tránh gây tốn kém.
4.2.2. Ph−ơng ánvề trắc dọc tuyến
Trắc dọc tuyến ảnh h−ởng rất lớn đến việc lựa chọn các ph−ơng án tuyến. Yêu cầu đặt ra đối với trắc dọc tuyến là cần phải hài hòa, không có độ dốc quá lớn, đảm bảo xe chạy êm thuận, chi phí khai thác thấp nhất. Cao độ tại các điểm khống chế phải đảm bảo và cao độ toàn tuyến nói chung phải thõa mQn theo quy hoạch của khu vực xây dựng. Bên cạnh đó, trắc dọc tuyến phải đảm bảo sao cho khối l−ợng đào đắp đất toàn tuyến là thấp nhất, khả năng điều phối đất hợp lý. Khi lên các ph−ơng án về trắc dọc cần quan tâm đến các quy định của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành theo cấp đ−ờng đ−ợc quy định.
4.2.3. Ph−ơng ánvề mặt cắt ngang tuyến
Khi lên các ph−ơng án về mặt cắt ngang tuyến cần xét đến l−u l−ợng xe hiện tại và t−ơng lai theo độ tuổi của tuyến đ−ờng xây dựng hoặc nâng cấp cải tạo. Cần l−u ý về việc phân chia bố trí các làn xe trên bề rộng mặt cắt ngang, bố trí vĩa hè cho ng−ời đi bộ, các trạm chờ phục vụ cho hệ thống giao thông công cộng, hệ thống chiếu sáng, hệ thống điện lực cáp quang và dẫn thoát n−ớc ngầm....
Trang 77
4.2.4. Ph−ơng ánvề nền đ−ờng
Nền đ−ờng đ−ợc thiết kế đảm bảo các yêu cầu về độ ổn định, độ lún, độ chặc. Đối với các vị trí tuyến đi qua gặp bất lợi về độ ổn định nh− tr−ợt, sụt lỡ thì cần đ−a ra các ph−ơng án gia cố mái taluy nh−: sử dụng t−ờng chắn, neo, gia cố bề mặt...Đối các vị trí tuyến đi qua vùng đất yếu gây bất lợi về lún cần đ−a ra các ph−ơng án khắc phục nh−: gia tải, thay lớp đất, sử dụng giếng cát, cọc cát, bấc thấm...Khi tuyến đi qua vùng có n−ớc mặt và n−ớc ngầm cần phải có biện pháp gia cố nền đ−ờng thích hợp. Nền đ−ờng thiết kế phải đảm bảo thỏa mQn các quy định của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
4.2.5. Ph−ơng ánvề kết cấu áo đ−ờng
Các ph−ơng án về kết cấu áo đ−ờng cần đảm bảo về độ cứng, độ bền, độ chặc. Phần mặt phải thỏa mQn các yêu cầu về độ bằng phẳng, độ mài mòn, hệ số ma sát thích hợp. Tùy vào tr−ờng hợp cụ thể, ý nghĩa của tuyến đ−ờng mà có thể sử dụng các loại kết cấu mặt đ−ờng khác nhau. Khi chọn ph−ơng án kết cấu áo đ−ờng cần chú ý đến nguồn vốn có thể huy động đ−ợc cho công trình, ý nghĩa phục vụ của nó, cố gắng tận dụng đ−ợc nguồn vật liệu địa ph−ơng có sẵn.
Về vấn đề kỹ thuật, các ph−ơng án kết cấu áo đ−ờng đ−a ra cần phải đáp ứng các yêu cầu nhất định theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Cần chú ý đến chiều dày các lớp vật liệu, tính chất cơ lý từng loại vật liệu đ−ợc sử dụng...
4.3 Lập ph−ơng án cầu và cầu trong nút giao lập thể
4.3.1. Phân tích các tài liệu khi thiết kế các ph−ơng án cầu a). Chọn vị trí cầu
Vị trí và h−ớng tuyến của cầu cần đ−ợc chọn để thoả mQn các yêu cầu về an toàn giao thông cả ở trên cầu và ở d−ới cầu. Cần xét đến các thay đổi có thể có trong t−ơng lai về h−ớng hoặc chiều rộng của đ−ờng sông, đ−ờng bộ hoặc đ−ờng sắt mà cầu v−ợt qua. Tại nơi thích hợp cần xét trong t−ơng lai có thêm các công trình cho các loại giao thông khác hoặc mở rộng cầu.
Về mặt kỹ thuật phải so sánh các ph−ơng án chọn vị trí cầu theo các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thi công và bố trí công tr−ờng.
Về mặt quy hoạch phải so sánh các ph−ơng án về vị trí cầu và việc phát triển các vùng lân cận trong t−ơng lai (dân dụng và công nghiệp), vị trí cầu xét theo quan điểm bố trí kiến trúc chung của khu vực, vị trí cầu xét theo quan điểm quốc phòng.
Trang 78
thác), so sánh giá thành vận doanh các ph−ơng án tuyến do các vị trí cấu khác nhau gây nên.
Về mặt môi tr−ờng ph−ơng án vị trí cầu cần đảm bảo giảm thiểu các tác động bất lợi đến môi tr−ờng.
Sau khi chọn đ−ợc vị trí cầu tốt nhất sẽ tiến hành thiết kế các ph−ơng án cầu ứng với vị trí đó một cách cụ thể hơn. Cần l−u ý rằng việc chọn vị trí cầu có liên quan chặt chẽ đến việc chọn ph−ơng án kết cấu.
b). Mặt cắt dọc tim cầu
Nghiên cứu mặt cắt dọc tim cầu cho phép xác định vị trí của mố trụ, tránh việc đặt trụ vào chỗ sâu nhất, phân bố các nhịp thông thuyền, xác định độ dốc dọc cầu. Mặt cắt ngang lòng sông đối xứng thì cũng nên bố trí kết cấu nhịp đối xứng để có thể áp dụng các đồ án điển hình và các giải pháp thi công cầu theo kiểu hàng loạt.
c). Mặt cắt địa chất dọc tim cầu
Căn cứ vào tình hình địa chất dọc tim cầu, phải xác định sơ bộ các loại móng cầu và đồng thời xác định các ph−ơng án kết cấu nhịp (kết cấu tĩnh định hay siêu tĩnh). Trong tr−ờng hợp địa chất lại xấu mà chọn ph−ơng án trụ cao thì tình hình thi công phức tạp, giá thành trụ sẽ đắt, khi đó nên làm kết cấu nhịp dài. Nếu địa chất tốt, tầng đất cứng nằm không sâu, điều kiện thi công dễ dàng thì có thể dùng các kết cấu nhịp siêu tĩnh, các loại kết cấu nhịp cầu có lực đẩy ngang.
d). Các số liệu thuỷ lực và thủy văn
Các nghiên cứu về thuỷ văn và thuỷ lực và những đánh giá về vị trí v−ợt sông phải đ−ợc hoàn thành nh− một phần của thiết kế sơ bộ. Chi tiết của các nghiên cứu này cần t−ơng xứng với tầm quan trọng và những rủi ro liên quan của kết cấu.
Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 quy định các lũ sau đây cần đ−ợc điều tra nghiên cứu thỏa đáng trong các nghiên cứu thủy văn:
• Nhằm đảm bảo thoả mQn các tính năng thuỷ lực của công trình cầu là một bộ phận của tuyến đ−ờng, đảm bảo tầm quan trọng của cầu trên tuyến, cũng nh− để đánh giá sự nguy hiểm của lũ và thoả mQn các yêu cầu trong quản lý vùng ngập n−ớc lũ thiết kế khẩu độ cầu (xét lũ 100 năm trừ khi có chỉ định khác của Chủ đầu t− ).
Trang 79
giá h− hại cho cầu và đ−ờng vào cầu- Lũ thiết kế xói cầu ( xét lũ 100 năm, trừ khi có chỉ định khác của Chủ đầu t−).
• Nhằm điều tra nghiên cứu tính thích hợp của nền móng cầu trong việc chống xói lở-Lũ kiểm tra xói cầu (xét lũ 500 năm trừ khi có chỉ định khác của Chủ đầu t−).
• Định chuẩn các mức n−ớc và đánh giá tính năng của các công trình hiện có - Các lũ lịch sử.
• Đánh giá các điều kiện môi tr−ờng- Các thông tin về l−u l−ợng dòng chảy cơ bản hoặc dòng chảy l−u l−ợng thấp và các công trình đi qua cửa sông, biên độ triều c−ờng.
Đối với các công trình v−ợt qua các nguồn tài nguyên biển/ cửa sông, phải điều tra nghiên cứu ảnh h−ởng đến biên độ triều của sự dâng cao mức n−ớc biển .
Các mức n−ớc chuẩn cần đ−ợc thống kê theo các số liệu điều tra lũ có ảnh h−ởng đến việc lập các ph−ơng án bao gồm:
• Mức n−ớc thấp nhất (MNTN) cho biết vị trí những chỗ lòng sông n−ớc sâu trong mùa cạn. Phải căn cứ vào những vị trí đó để bố trí các nhịp thông thuyền theo bề rộng của sông. Tuy nhiên, ở những con sông dễ bị xói lỡ cần tính đến khả năng di chuyển các vực sâu theo thời gian và nh− vậy luồng lạch để tàu bè qua lại cũng phải dịch chuyển theo bề rộng ngang sông. Mặt khác khi căn cứ vào MNTN ta còn định đ−ợc cao độ đỉnh móng của các trụ giữa lòng sông.
• Mực n−ớc thông thuyền (MNTT) tính toán th−ờng đ−ợc lấy ở mức n−ớc lũ tần suất 5%. Căn cứ vào mực n−ớc này để xác định đ−ợc cao độ đáy kết cấu nhịp.
• Mực n−ớc cao nhất (MNCN) đ−ợc lấy ở mức n−ớc lũ t−ơng ứng với tần suất 1%. Căn cứ và mực n−ớc này để xác định khẩu độ thoát n−ớc cho cầu, chiều dài toàn bộ cầu và cao độ đáy kết cấu nhịp.
e). Khẩu độ thoát n−ớc và chiều dài toàn cầu
Quá trình thiết kế để xác định khẩu độ thoát n−ớc cho cầu phải bao gồm:
• Đánh giá sự phân bổ của lũ ở dòng chủ và ở bQi sông cho điều kiện hiện tại.
Trang 80
cần đáp ứng với các mục tiêu thiết kế.
Khi dùng các nghiên cứu về lũ hiện có thì phải xác định độ chính xác của chúng .
Phải thiết kế kích th−ớc cầu phù hợp với lũ thiết kế khẩu độ cầu ứng với lũ 100 năm, trừ khi đ−ợc Chủ đầu t− chỉ định khác. Có thể chọn chu kỳ tái xuất hiện ít hơn 100 năm nếu có luận cứ kinh tế (nh− lũ 50 năm hoặc 25 năm cho các cầu trên đ−ờng cấp 2 hoặc cấp thấp hơn tham khảo Bảng 10.5.1 trong Tiêu chuẩn thiết kế đ−ờng).
Ngoài ra cần chú ý đến khổ giới hạn đứng d−ới cầu theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 đối với các tr−ờng hợp có thông thuyền hay không thông thuyền đQ đ−ợc giới thiệu ở các ch−ơng tr−ớc. Chiều dài toàn bộ của cầu đ−ợc chọn dựa vào khẩu độ thoát n−ớc d−ới cầu, mục tiêu thiết kế, các yếu tố về công nghệ kỹ thuật, dạng cầu áp dụng và khổ giới hạn đứng d−ới cầu.
4.3.2. Chọn chiều dài cầu, phân chia các nhịp cầu và các dạng cầu sử dụng t−ơng ứng để lập các ph−ơng án cầu
a). Chiều dài nhịp có lợi nhất
Để xác định chiều dài nhịp kinh tế một cách có căn cứ, nhất thiết phải lập ra một số các ph−ơng án phân chia nhịp t−ơng đối hợp lý rồi so sánh chúng về các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, có xét đến sự phát triển của khu vực ở năm t−ơng lai, tới qui hoạch chung của khu vực và các điều kiện khác của địa ph−ơng.
Chiều dài nhịp có lợi nhất phụ thuộc vào vấn đề lựa chọn các loại nền móng của mố trụ cầu, phụ thuộc vào hệ thống kết cấu nhịp sử dụng, phụ thuộc vào khổ giới hạn và các yếu tố khác nh−: điều kiện địa chất, thủy văn…
Chiều dài nhịp kinh tế có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn nhịp thông thuyền. Tuỳ vào các tr−ờng hợp cụ thể nên xét tới tính tiêu chuẩn hoá, công nghiệp hóa trong khi thiết kế các công trình cầu.
b). Phân chia kết cấu nhịp cầu
Tuỳ theo dạng sơ đồ kết cấu cầu mà ta đQ lựa chọn trong ý t−ởng xây dựng công trình nh−: cầu dầm giản đơn, cầu dầm liên tục nhiều nhịp, cầu vòm, cầu treo hay cầu dây văng mà ta có các cách phân chia kết cấu nhịp cầu.
b1). Phân chia nhịp cầu với kết cấu nhịp cầu BTCT và cầu thép không có lực đẩy ngang
Tr−ờng hợp sông không có thông thuyền thì điều kiện phân chia sẽ thuận lợi, chúng ta có thể dùng một loại kết cấu nhịp tiêu chuẩn dạng dầm giản đơn để v−ợt qua toàn bộ khẩu độ cầu. Việc chọn nh− vây để đảm bảo yêu cầu công nghiệp hoá trong quá trình thi công, kinh tế và hợp lý. Với các cầu nhịp nhỏ và trung bình
Trang 81
thì vấn đề tiêu chuẩn hoá tối đa các bộ phận có ý nghĩa lớn.
Tr−ờng hợp sông có thông thuyền thì thông th−ờng chiều dài nhịp thông thuyền lớn hơn các nhịp còn lại chọn nh− đQ nói ở trên.
• Theo công nghệ thi công ta có cách phân chia các nhịp nh− sau:
- Nếu thi công theo công nghệ đúc hẫng, lắp hẫng cân bằng thì chiều dài nhịp biên đ−ợc lấy bằng 0.6 - 0.8 chiều dài nhịp chính.
- Nếu thi công theo công nghệ đổ bằng đà giáo di động thì chiều dài nhịp đầu tiên (sát mố) có chiều dài lớn hơn các nhịp còn lại là 0.2l với l là chiều dài nhịp giữa, các nhịp ở giữa lấy chiều dài nh− nhau. - Nếu thi công theo công nghệ đổ tại chỗ trên đà giáo cố định thì các