TS LÊ HẢI HÀ - PGS.TS PHẠM VĂN KÝ KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ ðƯỜNG SẮT TẬP HÀ NỘI 2005 LỜI NĨI ðẦU Giáo trình "Khảo sát thiết kế ñường sắt" tập nhằm phục vụ sinh viên chuyên ngành ñường sắt, ñường sắt-cầu ngành khác liên quan đến giao thơng vận tải Trong sách giới thiệu vấn đề có liên quan tới tính sức kéo đầu máy, ngun tắc thiết kế bình ñồ trắc dọc tuyến ñường sắt, vạch tuyến, bố trí cơng trình nhân tạo, phương pháp so sánh kinh tế kỹ thuật phương án ðể phục vụ cho sinh viên lớp chuyên ngành ñường sắt, biên soạn tác giả ñã cố gắng bám sát nội dung đổi chương trình mơn học để phù hợp tình hình thực tế Sách tái lần có bổ xung số nội dung cho phù hợp với chương trình đào tạo quy định tiêu chuẩn ngành ñường sắt Sau phần lý thuyết có đưa ví dụ cụ thể để bạn đọc dễ hiểu Nội dung giáo trình chương mục ñã ñược tập thể thầy giáo Bộ mơn ðường sắt Trường ðH Giao thơng vận tải góp ý Trong q trình biên soạn có phân cơng sau: T.S Lê Hải Hà chủ biên viết chương: 2, 3, PGS.TS Phạm Văn Ký viết chương: 1, 5, 6, Trong trình biên soạn, chắn khơng tránh khỏi sai sót, chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc ñể lần xuất sau ñược hoàn thiện Hà Nội, tháng 3/2005 Các tác giả CHƯƠNG CƠ SỞ THIẾT KẾ ðƯỜNG SẮT 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ðƯỜNG SẮT 1.1.1 ðiểm qua lịch sử phát triển hệ thống ñường sắt giới Khoảng kỷ thứ 16 mỏ vùng núi nước Châu Âu ñã dùng “ñường ray” gỗ ñể ñẩy xe goòng chở đầy than, quặng Năm 1809 trai Vơ-rơ-lốp ñã kế tục phát triển nghiệp cha làm “đường ray” sắt có hình chữ L dùng ngựa kéo Như cho thấy nguồn sức kéo thời kỳ phơi thai đường sắt sức người, sức nước sức súc vật chạy ñược tốc ñộ km/h Theo phát triển nguồn ñộng lực yêu cầu ñối với ñầu máy ngày cao nên “ñường ray" từ gang trắng ñến gang xám, từ “ñường sắt” ñến “ñường thép” Mặc dù loại ray ñang dùng thường ñược làm thép thói quen nên gọi "đường sắt" để phản ánh tình hình thực tế thời trước Mặt khác, cơng nghệ vật liệu thời ñại ñang phát triển với tốc độ nhanh , có loại vật liệu phù hợp hơn, rẻ tiền thay cho loại thép ray Khi đó, lẽ tên gọi ray thay ñổi theo vật liệu làm ray gọi theo tên cũ cho tiện lợi Trong thời kỳ từ năm 1825 ñến năm 1840 giới ñã xây dựng ñược tất gần nghìn km ñường sắt Sau 10 năm số km đường sắt tăng lên lần ðến cuối kỷ 19 mạng lưới ñường sắt giới lên khoảng 790 nghìn km Vào ñầu chiến tranh giới thứ vượt triệu trăm ngàn km, mạng lưới ñường sắt giới gần triệu km Trong nước có nhiều đường sắt Mỹ khoảng 336.500km, tỷ lệ tuyến đơi tuyến nhiều đường chiếm 11 đến 14,8%, Liên Xơ có khoảng 138.300km có 35 ngàn km đường đơi Ấn ðộ có 60 ngàn km Trong mạng lưới ñường sắt giới có nhiều khổ đường - Khổ 1676mm nước Ấn ðộ, Tây Ban Nha, Ac-hen-ti-na - Khổ 1524mm Liên Xô - Khổ 1435mm Châu Âu, Canada, Mỹ - Khổ 1067mm Nhật Bản, Indonexia - Khổ 1000mm Việt Nam, Châu Phi Hiện giới ñã ñiện khí hố 12 vạn km đường sắt, Liên Xơ ñứng ñầu lĩnh vực 37 ngàn km Nói đến đường sắt phải đề cập đến đầu máy đồn tàu dài chạy đường sắt nhìn khơng thấy đích đầu máy đường ray tựa hình với bóng Song xem lại “gia phả” ñường sắt thấy tuổi ñường ray cao ñầu máy nhiều Máy nước đời có tác dụng to lớn thúc ñẩy cách mạng sức sản xuất đặc biệt tạo điều kiện giới hố cho ngành vận tải ñường sắt Một ñiều lý thú ñầu máy nước ñầu tiên chạy ñường ñá vào năm 1769 Sau chạy đường ray vào năm 1801 có tên “đầu máy nước” Máy nước Pa-panh ñời sau thời gian dài thức dùng ñoạn ñường sắt nước Anh, máy ñó Sti-phen-xơ chế tạo thức dùng vào năm 1825 Cơng suất thực 12 mã lực tốc độ lớn 16km/h từ đầu máy nước thức “bước lên vũ đài lịch sử” So với loại ñầu máy khác, ñầu máy nước ñời sớm ñược cải tiến nhiều Có đầu máy cơng suất lớn, tốc độ cao Ví dụ đầu máy nước loại 242 Pháp chế tạo năm 1946 có cơng suất tới 4200 mã lực với tốc ñộ tới 160km/h Nhiều cơng ty Mỹ chế tạo đầu máy nước đại, cơng suất cực lớn, tốc độ cao ðầu máy T-1 công suất tới 6.100 mã lực, kéo ñoàn tàu 1.000 chạy với tốc ñộ 160km/h Song tăng cơng suất đầu máy lớn 3000 mã lực nói chung khó khăn bị hạn chế kích thước trọng lượng đầu máy nằm khổ giới hạn quy ñịnh ñể ñảm bảo an tồn chạy tàu ðầu máy nước cải tiến nhiều không kịp với tiến khoa học kỹ thuật Nếu ñầu máy nước ñầu tiên kỹ sư Nga Sê-nêpa-nốp chế tạo năm 1833 có hiệu suất 2% đầu máy nước sau có hiệu suất trung bình khoảng 7% có nghĩa 100 khu gian than có khu gian sản sinh lực kéo ðó nhược ñiểm sức kéo nước Bởi vậy, cách mạng nguồn ñộng lực ñường sắt, sức kéo nước phải nhường chỗ cho loại sức kéo tiên tiến diezen điện, nói: kỷ 19 tuổi xuân buổi ñầu máy nước bước lên vũ đài lịch sử 50 năm kỷ 20 tuổi già yếu rút khỏi vũ đài lịch sử Nhiều nước ấn ñịnh thời hạn ñào thải sức kộo nước khỏi ngành đường sắt cộng hồ dõn chủ ðức 1975, Hung-ga-ri 1980, Nhật 1975, Tõy ðức 1976 v.v… số nước khơng dùng đầu máy nước nữa: Liên Xô, Triều Tiên, Mông Cổ, Mỹ, Pháp v.v… Chỉ khoảng 20 năm (1946 - 1967) có tới 102 nước, áp dụng sức kéo Ở Việt Nam, từ năm 1968 ngành ñường sắt ñã bắt ñầu sử dụng sức kéo diezen Hiệu suất loại đầu máy tính sau: - ðầu máy nước 4-10% - ðầu máy diezen 17-35% - ðầu máy ñiện 14-28% ðầu máy diezenl hiệu suất cao nên ñã giảm ñược mức tiêu thụ nhiên liệu ðứng phương diện giao thơng vận tải tiêu quan trọng số ñánh giá loại sức kéo lực thông qua lực vận chuyển, sức kéo diezenl ñiện cho phép tăng trọng lượng tốc độ đồn tàu nên lực vận chuyển tăng ñến 2,5 lần so với dùng ñầu máy nước Vào thập kỷ ñầu kỷ XX hầu hết thành phố lớn vừa châu Âu ñã xây dựng hệ thống tàu điện nội (Tramway - Light Rail) đwờng sắt ngoại ô (Suburban - Heavy Rail) ðể giải nạn tắc nghẽn giao thông thành phố lớn châu Âu ñã xây dựng hệ thống tàu ñiện ngầm (Full metro) London bắt đầu khởi cơng vào năm 1883 hoàn thành năm 1890, Budapest hoàn thành năm 1896, Paris 1900, Beclin 1902 Hamburg năm 1912 Các tuyến ñương tàu ñiện ngầm khổ tiêu chuẩn ñược tiếp tục xây dựng thập kỷ ñầu kỷ XX châu Âu Trước năm 1970 có số thành phố có hệ thống đường sắt thị (ðSðT) năm 1991 có khoảng 160 thành phố có hệ thống ðSðT 60 nước giới khoảng 30 thành phố khác ñang xây dựng Các thành phố lớn Tokyo, Newyork Moscow lượng khách chuyên chở ðSðT vượt 50% tổng lượng khách tham gia giao thơng nên khơng bị tắc nghẽn giao thông ðSðT Tokyo, Nagoya Osaka vịng bán kính 50 km có số lượng 3900 km (1992) Về chủng loại có bước phát triển mạnh Trước có loại tàu ñiện (Tramway), tàu ñiện ngầm (Full metro), tàu cao tốc (Mass Rapid Transit) ngày có thêm nhiều loại như: tàu ñại (Advanced Light Rail), tàu ray (Monorail), tàu tự ñộng khụng người lỏi (Automated Guided Train), tàu động tuyến tính (Linear Motor Train), tàu ñiện từ (Magnetically Levitated Train) tàu không lưu (Aeromover) Hầu giới dùng loại tàu ñiện nhẹ (Light Rail Transit) chạy ñường khổ 1000 mm 1435 mm chủ yếu đường 1435 mm, chạy qua đường cong bán kính nhỏ đến 50 m, độ dốc 40‰ chí lớn hơn, sử dụng điện chiều 750V Các thành phố Manila, Hannover, Mexyco city, Hiroshima, Cairo ñang sử dụng loại Còn thành phố Newyork, London, Maxcova, Paris, Tokyo Teito Singapore lại dùng ðSðT có sức chở lớn (Heavy Rail System) Thuộc loại có tàu cao tốc Express Sbanhn Metro Tuyến Express mặt đất, cao (Elevated) hay ñi ngầm mặt ñất (Subway hay Under-ground) Loại có độ dốc tối đa 40‰, bán kính nhỏ đường Tokyo 91m Tàu tự động khơng người lái AGT (Atomatic Guider hay Automatic Driverless hayN-Bahn) Năm 1975 Quốc hội Mỹ ñịnh nghĩa AGT hệ thống vận tải điều khiển khơng cần người, chạy đường dẫn hướng riêng biệt Nó khai thác lần ñầu tiên vào năm 1971 sân bay Tampa bang Florida nước Mỹ, năm 1972 xuất Nhật có hệ thống ðài Bắc - ðài Loan có hệ thống dài 13,5 km chạy loại xe VAL 256, qua 13 ga Tàu ñộng tuyến tính LIM (Linear Motor) Loại trục xe gắn động tuyến tính (rotor) chạy ray khổ 1435, cịn stator ray thứ điện cấp từ Ưu điểm lớn tàu đơng tuyến tính khổ giới hạn thu nhỏ, 53% so với tàu thường, ñi ngầm ñất, tiết diện hầm giảm gần 50% Tiêu biểu cho loại cơng trình Sky Train bang Vancowver, Canada, ñưa vào sử dụng năm 1986, dài 22 km có 1,6 km ngầm, 13 km ñi cao, tuyến tương tự Tokyo dài 28 km, khổ 1435, ñộ dốc tối ña 45‰, bán kính nhỏ 100m, khoảng cách tim ñường 3,1 m Tàu ñệm từ Maglev (Magnetic levitation), giống tầu LIM đẩy động tuyến tính khơng chạy bánh xe mà đệm khơng khí lực đẩy từ trường tạo nên, tuyến ðức (8-1989) ñệm dày 10 mm, tuyến Nhật (1990) dầy tới 100 mm Tuyến Maglev ñầu tiên Anh (81984) dài 600 m, năm 1997 ñã chạy thử tuyến Yamanashi Nhật dài 42,8 km, ñộ dốc 40‰, Rmin = 8000 m, tốc ñộ khai thác 500 km/h Tàu khơng lưu (Aeromover) Nó chế tạo dựa nguyên lý tàu buồm Toa xe ñược gắn kim loại đặt dầm bê tơng rỗng, toa xe chuyển động chênh lệch áp lực khơng khí hai bên kim loại sức gió thổi căng cánh buồm làm tàu chạy Ở ñây chênh lệch áp lực khí tạo bới máy nén hút khơng khí Năm 1981 tuyến Aeromover cảng Alegre thuộc Brazin dài 600m Tuyến thứ hai ñược xây dựng Jakacta (Indonesia) có tên Tamamini dài 3,21 km, độ dốc 100‰, Rmin = 25m, đồn tàu2 toa toa 120 hành khách, chạy tốc ñộ lớn 70 km/h 1.1.2 ðiểm qua vài nét phát triển ñường sắt Việt Nam Từ lịch sử phát triển ñường sắt giới với lịch sử ñường sắt Việt Nam ñể nhìn nhận hình thành phát triển Các tuyến đường sắt ñược xây dựng vào thời kỳ sau (theo tài liệu kinh tế thực dân Pháp lịch sử xây dựng đường sắt ðơng Dương chia làm ba thời kỳ): a Thời kỳ trước năm 1898 - 1884 xây dựng đoạn đường sắt Sài Gịn - Mỹ theo dài 70km - 1896 xây dựng ñoạn ñường sắt Bắc Giang - Lạng Sơn khổ 600mm - 1898 tuyến ñường sắt Hà Nội- Na Sầm ñược nối liền dài 180km b Thời kỳ từ 1898 ñến 1931 - Cuối năm 1898 bắt đầu xây dựng tuyến Hải Phịng - Gia Lâm - Lào Cai dài 383km khổ 1000mm ñoạn tuyến sau ñây ñược ñưa vào khai thác năm: + Hải Phòng - Gia Lâm tháng năm 1903 + Gia Lâm - Việt Trì tháng 11 năm 1903 + Việt Trì - Lào Cai tháng năm 1906 Năm 1908 xây dựng tiếp ñoạn ðồng ðăng ñến Hữu Nghị quan dài 5km Sau ñó xây dựng ñoạn ðồng ðăng Na - Sầm dài 17km ñưa vào khai thác tháng 11 năm 1921 - Thời kỳ tuyến Hà Nội - Huế - ðà Nẵng - Nha Trang - Sài Gịn tiếp tục xây dựng + ðoạn thứ nhất: Hà Nội - Vinh - Bến Thuỷ ñưa vào khai thác tháng năm 1905 dài 326km + ðoạn thứ hai từ ðà Nẵng ñến ðông Hà (Quảng Trị) tháng 12 năm 1908 dài 175km + ðoạn thứ ba Sài Gòn - Nha Trang vào tháng 10/1913 dài 566km + ðoạn tuyến nhánh từ Tháp - Chàm ñến ðà Lạt xây dựng vào tháng năm 1914 dài 84km - Năm 1927 xây tiếp ñoạn tuyến từ Vinh ñến ðông Hà dài 301km c Thời kỳ sau năm 1931 - ðoạn tuyến Bến ðây Xơ - Lộc Ninh xây dựng xong đưa vào khai thác tháng năm 1933 dài 69km - ðoạn tuyến nhánh từ Tân Ấp dự kiến nối ñến Thà Khẹt sơng Mê Cơng (Lào) Trong đoạn xây dựng 18km từ Tân ấp đến xóm Lục (Việt Nam) ðoạn ñưa vào khai thác từ tháng 12 năm 1933 - ðoạn tuyến lại tuyến Hà Nội - Sài Gịn từ ðà Nẵng đến Nha Trang dài 700km xây dựng xong vào tháng 10 năm 1936 Như tổng chiều dài tuyến từ Hà Nội đến Sài Gịn 1728km Sau kháng chiến chống Pháp thắng lợi năm 1954, ñã khôi phục tuyến Hà Nội - Hữu nghị quan, Hà Nội - Vinh xây dựng thêm tuyến Hà Nội Quán Triều, Kép - Lưu Xá, Kép - Bãi Cháy, Cầu Giát - Nghĩa ðàn v.v… ðến chiều dài ñường sắt tổng cộng nước khoảng 2810km (chưa kể ñường mỏ than) ðường sắt Việt Nam tồn hai loại khổ 1435mm (Standard Gauge - SG) 1000mm (Metre Gauge - MG) Cịn đường lồng 1000 mm với đường 1435 mm kết hợp SG Mg Tổng chiều dài ñường 1000 mm 2694 km, chiếm 85%, khổ 1453 6% ñường lồng 9% Việc tồn hai loại khổ đường làm cho gặp nhiều khó khăn công tác quản lý khai thác Hiện Nhật Bản khổ ñường 1067 mm với chiều dài 28.600 km chiếm 93%, khổ tiêu chuẩn 1435 mm có chiều dài 2034 km chiếm 7% Trong Ấn ðộ, năm 1978 bỏ dở chủ trương chuyển đổi khổ MG sang khổ SG cho lợi nhuận thu đường SG khơng tương xứng với kinh phí chuyển đổi Ở Việt Nam theo mục tiêu quy hoạch phát triển ñường sắt ñến năm 2020 tố độ chạy tàu khách năm 2005 90 km/h, năm 2010 100 km/h năm 2020 120 km/h, tương ứng tốc ñộ tàu hàng 65 km/h, 70 km/h 80 km/h ñể hội nhập với nước khu vực 1.2 CÁC GIAI ðOẠN THIẾT KẾ VÀ NỘI DUNG ðỒ ÁN 1.2.1 Các giai ñoạn thiết kế Dự án ñầu tư tập hợp đề xuất có liên quan đến bỏ vốn ñể làm mới, mở rộng, cải tạo, nâng cấp tuyến ñường sắt nhằm ñạt ñược nâng cao lực tuyến đường Theo tính chất dự án quy mơ đầu tư, dự án đầu tư nước phê thành nhóm: A, B, C ñể phân cấp quản lý ðặc trưng nhóm ñược quy ñịnh theo Phụ lục 52/1999/Nð-CP ngày 8/7/1999 Chính phủ Các dự án quan trọng qcc gia dự án Quốc hội thông qua ñịnh chủ trương ñầu tư theo ñịnh số 05/1997/QH 10 ngày 12/12/1997 Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Thủ tướng phủ ñịnh ñầu tư uỷ quyền ñịnh ñầu tư dự án thuộc nhóm A Bộ trưởng Bộ Giao thơng vận tải định đầu tư dự án thuộc nhóm B C xây dựng tuyến ñường sắt Tổng giám ñốc Tổng Công ty ðường sắt Việt Nam ñịnh ñầu tư dự án thuộc nhóm B C sửa chữa đại tu tuyến đường sắt cũ Vì Tổng Cơng ty đường sắt khơng tổng cơng ty nhà nước mà cịn cơng ty nhà nước Thủ tướng phủ trực tiếp quản lý ðối với doanh nghiệp hạch tốn độc lập sở dụng vốn doanh nghiệp (vốn khấu hao tài sản cố ñịnh, quỹ phúc lợi, quỹ ñầu tư phát triển cho doanh nghiệp, vốn huy ñộng…) thực theo thông tư 110/2000/TT-BTC ngày 14/1/2000 Bộ Tài Vốn sửa chữa lớn tài sản cố định nguồn nghiệp kinh tế Ban QLCS hạ tầng làm chủ đầu tư tài sản nhóm I, doanh nghiệp cơng ích làm chủ đầu tư ñối với tài sản nhóm II Trong chuẩn bị ñầu tư xây dựng ngành đường sắt thường có loại sau ñây: - Quy hoạch mạng quy hoạch chi tiết ñối với nguồn vốn - Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi (BCNCTKT) ñối với dự án nhóm A thuộc tất nguồn vốn Nhóm A có quy mơ lớn, phức tạp nên trước lập báo cáo nghiên cứu tiền khả thi phải lập báo cáo tổng quan - Báo cáo nghiên cứu khả thi (BCNCKT) dự án nhóm A, B, C thuộc nguồn vốn (Dự án nhóm C có mức vốn ñầu tư tỷ ñồng lập báo cáo đầu tư) ðối với dự án nhóm A chủ ñầu tư (người ñược giao trách nhiệm trực tiếp quản lý sử dụng vốn ñể thực ñầu tư theo quy ñịnh pháp luật) phải tổ chức lập báo cáo nghiên cứu tiền khả thi báo cáo nghiên cứu khả thi Trường hợp dự án ñã ñược Quốc hội Chính phủ ñịnh chủ trương ñầu tư cần lập báo cáo NCKT Những dự án nhóm A Thủ tướng phủ thông qua báo cáo nghiên cứu tiền khả thi cho phép phân dự án thành phần (hoặc tiểu dự án) dự án thành phần (hoặc tiểu dự án) lập báo cáo nghiên cứu khả thi dự án ñầu tư ñộc lập, việc trình duyệt quản lý dự án phải theo quy định dự án nhóm A ðối với dự án nhóm B chủ đầu tư tổ chức lập báo cáo nghiên cứu khả thi, xét thấy cần thiết phải lập báo cáo nghiên cứu tiền khả thi người có thẩm quyền định văn ðối với dự án nhóm C có mức vốn đầu tư từ tỷ ñồng trở lên, chủ ñầu tư tổ chức lập báo cáo nghiên cứu khả thi 1.2.2 Nội dung ñồ án giai ñoạn khác 1.2.2.1 Nội dung chủ yếu báo cáo nghiên cứu tiền khả thi Nghiên cứu cần thiết phải ñầu tư, ñiều kiện thuận lợi khó khăn Dự kiến quy mơ đầu tư, hình thức đầu tư Khu vực, ñịa ñiểm xây dựng dự kiến nhu cầu diện tích sử dụng đất ảnh hưởng mơi trường, xã hội tái định cư (có phân tích đánh giá cụ thể) Phân tích, lựa chọn sơ công nghệ, kỹ thuật và ñiều kiện cung cấp vật tư, thiết bị, nguyên liệu, lượng Phân tích lựa chọn sơ phương án xây dựng Xác ñịnh sơ tổng mức ñầu tư (tồn chi phí đầu tư xây dựng giới hạn chi phí tối đa dự án ñược xác ñịnh ñịnh ñầu tư), phương án huy động nguồn vốn, khả hồn vốn trả nợ, thu lãi Tính tốn hiệu đầu tư mặt kinh tế - xã hội dự án Xác định tính độc lập vận hành, khai thác dự án thành phần tiểu dự án Trong bước nghiên cứu khả thi nói chung sử dụng tài liệu thu thập, điều tra mà khơng tổ chức ño ñạc Chỉ trường hợp ñặc biệt tổ chức ño ñạc thực ñịa ðể bổ sung vào đồ địa hình có, ñơn vị tư vấn thiết kế cần tiến hành thị sát trường ñể ñiều chỉnh tài liệu cho phù hợp với tiình hình Nội dung u cầu cơng tác điều tra, thu thập tài liệu, khảo sát trường ñược thực theo quy định hướng dẫn quy trình khảo sát ñường sắt hành áp dụng bước khảo sát nghiên cứu tiền khả thi Thành phần nội dung hồ sơ báo cáo NCTKT gồm tài liệu sau đây: - Báo cáo thuyết minh tổng hợp - Hồ sơ vẽ ... triển) - Tính hình giao thơng vận tải: Giao thơng đường bộ: đường tơ, bến xe, trạng thái đường, lưu lượng xe đường đó, ??? hàng lực vận tải, dự kiến giao thơng đường tương lai Giao thơng đường... gửi tàu ga Có lại phân thông số quan trọng thông số bản, cần lập luận thông số tiêu quan trọng số đường chính, loại sức kéo v.v… khơng xác định trước gặp khó khăn chọn thông số kỹ thuật khác... Khả thông qua tuyến đường đơn đo số đơi tàu tính tốn cho hai chiều, cịn tuyến đơi đo số đồn tàu cho chiều chạy qua khu gian khó (trong ngày đêm) Khả thông qua tàu N không phụ thuộc vào khả thông