Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô ở việt nam

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS Nguyễn Văn Chính 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ 7 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... 10 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 13 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI TRONG XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC ĐƢỜNG Ô TÔ ................................ 16 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI............................................ 16 1.1.1. Máy toàn đạc điện tử.............................................................................................. 16 1.1.2. Công nghệ GPS ....................................................................................................... 18 1.1.3. Máy thủy bình điện tử ........................................................................................... 19 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI TRONG XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC ĐƢỜNG Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .................................................................................................................................... 20 1.2.1. Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đƣờng ô tô trên thế giới ............................................................................................... 20 1.2.1.1. Nghiên cứu đo cao bằng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử .20 1.2.1.2. Ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô.............................................................................................................24 1.2.2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đƣờng ô tô ở Việt Nam ................................................................................................ 26 1.2.2.1. Nghiên cứu đo cao bằng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử .26 1.2.2.2. Quy định ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại theo các tiêu chuẩn xây dựng và khai thác đường ô tô ........................................................................27 1.2.2.3. Ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô.............................................................................................................29 1.3. XÁC ĐỊNH NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................... 34 1.3.1. Tổng hợp tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng đƣờng ô tô trên thế giới và ở Việt Nam........................................................... 34 1.3.2. Xác định nội dung nghiên cứu của luận án ....................................................... 37 3 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ GPS TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ .................................... 38 2.1. NỘI DUNG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ ........ 38 2.1.1. Công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế ......................................... 38 2.1.2. Công tác trắc địa trong giai đoạn thi công......................................................... 39 2.2. ĐỘ CHÍNH XÁC YÊU CẦU CỦA CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ .................................................................................................................... 40 2.2.1. Độ chính xác yêu cầu của công tác trắc địa trong giai đoạn khảo sát thiết kế ................................................................................................................................................... 40 2.2.2. Độ chính yêu cầu của công tác trắc địa trong giai đoạn thi công .................. 42 2.3. NGHIÊN CỨU THÀNH LẬP LƢỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG VÀ LƢỚI KHỐNG CHẾ ĐỘ CAO TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ BẰNGMÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ GPS ........................................................................... 44 2.3.1. Thành lập lƣới đƣờng chuyền cấp 2 bằng máy toàn đạc điện tử.................. 44 2.3.1.1. Đồ hình lưới đường chuyền cấp 2 trong xây dựng đường ô tô ........44 2.3.1.2. Phương pháp thành lập lưới đường chuyền cấp 2 bằng máy toàn đạc điện tử ...................................................................................................................46 2.3.2. Thành lập lƣới đƣờng chuyền cấp 2 bằng phƣơng pháp “GPS- động” ...... 50 2.3.2.1. Nguyên lý và độ chính xác của phương pháp “GPS- động” ............50 2.3.2.2. Ứng dụng phương pháp “GPS- động” thành lập lưới đường chuyền cấp 2 .....................................................................................................................52 2.3.3. Đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp “GPS- động” trong thành lập lƣới đƣờng chuyền cấp 2 .............................................................................................................. 57 2.3.4. Thành lập lƣới khống chế độ cao bằng máy toàn đạc điện tử ....................... 58 2.3.4.1. Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác đo cao bằng máy toàn đạc điện tử ....................................................................................................58 2.3.4.2. Phương pháp thành lập lưới khống chế độ cao bằng máy toàn đạc điện tử ...................................................................................................................65 2.3.5. Thành lập đồng thời lƣới đƣờng chuyền cấp 2 và lƣới khống chế độ cao hạng IV bằng máy toàn đạc điện tử .................................................................................. 66 2.3.5.1. Phương pháp đo và xử lý số liệu ......................................................66 2.3.5.2. Đánh giá hiệu của phương pháp thành lập đồng thời lưới độ cao hạng IV và lưới đường chuyền cấp 2 bằng máy toàn đạc điện tử........................68 4 2.4. NGHIÊN CỨU BỐ TRÍ VỊ TRÍ ĐIỂM MẶT BẰNG VÀ ĐỘ CAO BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ TRONG THI CÔNG ĐƢỜNG Ô TÔ ........................................ 69 2.4.1. Ứng dụng máy toàn đạc điện tử bố trí vị trí điểm mặt bằng ......................... 69 2.4.1.1. Phân tích sai số bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy toàn đạc điện tử ....................................................................................................69 2.4.1.2. Ứng dụng chương trình “setting out” bố trí vị trí mặt bằng trong thi công đường ô tô ....................................................................................................71 2.4.2. Ứng dụng máy toàn đạc điện tử bố trí vị trí điểm độ cao............................... 73 2.4.3. Phƣơng pháp bố trí đồng thời vị trí điểm mặt bằng và độ cao trong thi công đƣờng ô tô bằng máy toàn đạc điện tử.............................................................................. 75 2.4.4. Ứng dụng phƣơng pháp giao hội nghịch của máy toàn đạc điện tử kiểm tra vị trí điểm mặt bằng trong thi công đƣờng ô tô .............................................................. 76 2.5. PHƢƠNG PHÁP ĐO VẼ MẶT CẮT ĐỊA HÌNH TRONG GIAI ĐOẠN KHẢO SÁT THIẾT KẾ BẢN VẼ THI CÔNG BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ............... 77 2.5.1. Đo mặt cắt dọc tuyến đƣờng bằng máy toàn đạc điện tử ............................... 77 2.5.2. Đo mặt cắt ngang tuyến đƣờng bằng máy toàn đạc điện tử .......................... 78 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ MÁY THỦY BÌNH ĐIỆN TỬ TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NỀN ĐƢỜNG ......................................................................................................................... 81 3.1. MỤC ĐÍCH VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CÔNG TÁC QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NỀN ĐƢỜNG .............................................................................................................................. 81 3.1.1. Mục đích công tác quan trắc chuyển vị nền đƣờng ......................................... 81 3.1.2. Độ chính xác quan trắc chuyển vị nền đƣờng................................................... 82 3.1.2.1. Độ chính xác quan trắc lún nền đường.............................................82 3.1.2.2. Độ chính xác quan trắc chuyển vị ngang nền đường .......................85 3.2. XÁC ĐỊNH CHU KỲ QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NỀN ĐƢỜNG ......................... 86 3.3. QUAN TRẮC ĐỘ LÚN NỀN ĐƢỜNG TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ VÀ MÁY THỦY BÌNH ĐIỆN TỬ.......................................................... 88 3.3.1. Phƣơng pháp thành lập lƣới khống chế cơ sở và phƣơng pháp đo quan trắc ................................................................................................................................................... 88 3.3.2. Phƣơng pháp phân tích số liệu quan trắc lún nền đƣờng trên đất yếu ....... 90 3.3.2.1. Khái quát phương pháp phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic .......................................................................................................90 5 3.3.2.2. Ứng dụng nguyên lý “số bình phương tối thiểu” phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic ............................................................92 3.4. QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ NGANG CỦA NỀN ĐƢỜNG BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ................................................................................................................... 97 3.4.1. Quan trắc chuyển vị ngang nền đƣờng đắp trên đất yếu bằng máy toàn đạc điện tử ...................................................................................................................................... 97 3.4.1.1. Bố trí mốc lưới khống chế cơ sở và mốc quan trắc chuyển vị ngang ..............................................................................................................................97 3.4.1.2. Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu quan trắc ...........................98 3.4.2. Quan trắc chuyển vị ngang của nền đƣờng đắp cao bằng máy toàn đạc điện tử ............................................................................................................................................. 100 3.4.2.1. Bố trí mốc lưới khống chế cơ sở và mốc quan trắc chuyển vị ngang ............................................................................................................................100 3.4.2.2. Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu quan trắc .........................101 3.5. TRÌNH TỰ KỸ THUẬT QUAN TRẮC ĐỒNG THỜI ĐỘ LÚN VÀ CHUYỂN VỊ NGANG CỦA NỀN ĐƢỜNG TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ........................................................................................................................................... 102 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................. 106 4.1. PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO CAO BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ................................................................................................................. 106 4.1.1. Mục đích và phƣơng pháp thực nghiệm .......................................................... 106 4.1.2. Xác định chiều dài tia ngắm và đánh giá kết quả thực nghiệm .................. 108 4.2. PHƢƠNG PHÁP BỐ TRÍ VỊ TRÍ ĐIỂM ĐỘ CAO BẰNG MÁY TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ TRONG THI CÔNG NÚT GIAO KHÁC MỨC VÀ ĐƢỜNG TRÊN CAO ........................................................................................................................................... 110 4.2.1. Mục đích, thiết bị và phƣơng pháp thực nghiệm ........................................... 110 4.2.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ........................................................................... 111 4.3. THÀNH LẬP LƢỚI ĐƢỜNG CHUYỀN CẤP 2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP “GPS- ĐỘNG” ........................................................................................................................................... 113 4.3.1. Mục đích, phƣơng pháp thực nghiệm .............................................................. 113 4.3.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ........................................................................... 115 4.4. PHÂN TÍCH SỐ LIỆU QUAN TRẮC LÚN TRONG DỰ ÁN XÂY DỰNG ĐƢỜNG CAO TỐC HÀ NỘI- HẢI PHÒNG ĐOẠN KM8+ 700- KM8+ 880 (EX2-14) ........................................................................................................................................... 118 6 4.4.1. Khái quát công tác quan trắc chuyển vị nền đƣờng trên đất yếu trong Dự án đƣờng cao tốc Hà Nội- Hải Phòng, đoạn Km8+700- Km8 + 880 ......................... 118 4.4.2. Ứng dụng nguyên lý “số bình phƣơng tối thiểu” phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic......................................................................................... 119 4.5. QUAN TRẮC CHUYỂN VỊ TRÊN ĐƢỜNG CAO TỐC NỘI BÀI- LÀO CAI ... 120 4.5.1. Xác định chu kỳ quan trắc và bố trí mốc quan trắc ...................................... 120 4.5.2. Quan trắc chuyển vị ngang bằng máy toàn đạc điện tử ............................... 122 4.5.2.1. Thành lập lưới khống chế cơ sở .....................................................122 4.5.2.2. Phương pháp đo quan trắc chuyển vị ngang ..................................124 4.5.3. Quan trắc độ lún bằng máy thủy bình điện tử ............................................... 128 4.4.3.1. Thành lập lưới khống chế cơ sở quan trắc lún ...............................128 4.5.3.2. Đo quan trắc lún .............................................................................130 4.5.3.3. Xử lý kết quả quan trắc ..................................................................130 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 135 KIẾN NGHỊ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................. 137 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NCS .......................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 139 DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC ................................................................................. 145 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CPU : Central Processing Unit- Bộ xử lý trung tâm EDM : Electronic Distance Metter- Máy đo xa điện tử DT : Digital Theodolite – Máy kinh vĩ điện tử Epoch : Đơn vị thời gian của công nghệ GPS GPS : Global Positioning System- Hệ thống định vị toàn cầu NCS : Nghiên cứu sinh RTK : Real Time Kinematic- Đo động thời gian thực PPK : Post Processing Kinematic- Đo động xử lý sau TBĐT : Thủy bình điện tử TĐĐT : Toàn đạc điện tử 8 DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang 1 Bảng 1.1: Độ chính xác đo cao bằng máy TĐĐT ở nước ngoài 23 35 2 Bảng 1.2: Tổng hợp ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam 3 Bảng 2.1: Các chỉ tiêu kỹ thuật lưới khống chế mặt bằng hạng IV 41 4 Bảng 2.2: Các chỉ tiêu kỹ thuật lưới đường chuyền cấp 2 41 5 Bảng 2.3: Độ chính xác bố trí độ cao trong thi công nền mặt đường 43 6 Bảng 2.4: Độ chính xác đo động của một số máy đo GPS phổ biến ở Việt Nam 51 7 Bảng 2.5: So sánh phương pháp “GPS- động” với phương pháp truyền thống trong thành lập lưới đường chuyền cấp 2 57 Bảng 2.6: Hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất khi đo cao bằng máy 60 8 TĐĐT Bảng 2.7: Khảo sát ảnh hưởng của sai số ngắm đến kết quả đo 9 60 cao bằng máy TĐĐT 65 10 Bảng 2.8: Kết quả ước tính chiều dài tia ngắm của máy TĐĐT theo chương trình “ETS 2013” khi thành lập lưới khống chế độ cao 69 11 Bảng 2.9: So sánh phương pháp thành lập đồng thời lưới độ cao hạng IV và lưới đường chuyền cấp 2 bằng máy TĐĐT với phương pháp truyền thống 12 Bảng 2.10: Độ chính xác bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy TĐĐT 72 74 13 Bảng 2.11: Kết quả ước tính chiều dài tia ngắm của máy TĐĐT phục vụ bố trí độ cao trong thi công nền mặt đường, nút giao khác mức và đường trên cao 14 Bảng 3.1: Ước tính chiều dài tia ngắm và độ chính xác của máy TĐĐT sử dụng quan trắc lún nền đường trên đất yếu 90 9 15 Bảng 3.2: Bảng dữ liệu khi phân tích số liệu quan trắc lún theo phương pháp Hyperbolic trên Excel 97 16 Bảng 3.3: Kết quả thiết kế lưới khống chế cơ sở quan trắc chuyển vị ngang nền đường đắp cao 101 17 Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả xác định chiều dài tia ngắm thực nghiệm 109 109 18 Bảng 4.2: So sánh chiều dài tia ngắm thực nghiệm (TN) và chiều dài tia ngắm lý thuyết (LT) xác định theo chương trình “ETS 2013” 19 Bảng 4.3: Hiệu độ cao giữa mốc F1 và F3 với điểm bố trí trên các tầng nhà A2 đo bằng máy TĐĐT 112 20 Bảng 4.4: Sai số trung phương của kết quả thực nghiệm bố trí độ cao ở các tầng nhà A2 113 21 Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả đo GPS tĩnh tại các điểm kiểm tra 115 22 Bảng 4.6: Kết quả phân tích số liệu quan trắc lún bằng phương pháp giải tích và Trendline của Excel 120 23 Bảng 4.7: Tọa độ và độ chính xác lưới khống chế mặt bằng cơ sở chu kỳ “0” 124 24 Bảng 4.8: Sai số vị trí điểm yếu nhất của lưới quan trắc 125 25 Bảng 4.9: Tổng hợp kết quả tính chuyển vị ngang nền, mặt đường 126 26 Bảng 4.10: Kết quả thành lập lưới độ cao cơ sở ở chu kỳ “0” 129 27 Bảng 4.11: Kết quả đánh giá ổn định của mốc lưới khống chế cơ sở ở các chu kỳ 130 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình vẽ Trang 1 Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của máy TĐĐT 16 2 Hình 1.2: Máy TĐĐT tự động 18 3 Hình 1.3: Cấu trúc của GPS 18 4 Hình 1.4: Nguyên tắc định vị GPS 19 5 Hình 1.5: Các phương pháp đo GPS 19 6 Hình 1.6: Máy thủy bình điện tử 20 7 Hình 1.7: Nguyên lý đo cao GPS 21 8 Hình 1.8: Nguyên lý đo cao của máy TĐĐT 22 9 Hình 1.9: Ứng dụng GPS và máy TĐĐT trong thi công đường ô tô 25 10 Hình 1.10: Lưới khống chế mặt bằng trong xây dựng đường ô tô 30 11 Hình 1.11: Lưới khống chế độ cao (Dự án đường cao tốc Biên Hòa- Vũng Tàu) 31 12 Hình 1.12: Bố trí độ cao trong thi công trụ đường trên cao và nút giao khác mức 32 13 Hình 2.1: Các dạng đồ hình lưới đường chuyền hở 45 14 Hình 2.2: Sơ đồ lưới đường chuyền cấp 2 khuyết phương vị trong xây dựng đường ô tô 46 15 Hình 2.3: Xử lý số liệu đường chuyền cấp 2 khuyết phương vị 47 16 Hình 2.4: Phương pháp GPS- RTK 51 17 Hình 2.5: Sơ đồ lưới đường chuyền cấp 2 thành lập bằng phương pháp đo “GPS- động” 53 18 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí trạm cơ sở 54 19 Hình 2.7: Hiện tượng chiết quang trong không khí 61 20 Hình 2.8: Góc nghiêng mặt gương 61 21 Hình 2.9: Giao diện của chương trình “ETS 2013” 64 22 Hình 2.10: Chiều dài tia ngắm và chiều dài cạnh đường chuyền cấp 2 66 11 23 Hình 2.11: Sơ đồ thành lập đồng thời lưới đường chuyền cấp 2 và lưới độ cao hạng IV bằng máy TĐĐT 67 24 Hình 2.12: Bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy TĐĐT 70 73 25 Hình 2.13: Đồ thị khảo sát độ chính xác bố trí điểm bằng chương trình “setting out” của máy TĐĐT trong thi công nút giao khác mức và đường trên cao 26 Hình 2.14: Sơ đồ bố trí độ cao bằng máy TĐĐT 74 27 Hình 2.15: Trình tự kỹ thuật bố trí đồng thời vị trí mặt bằng và độ cao bằng máy TĐĐT 75 28 Hình 2.16: Phương pháp giao hội nghịch góc - cạnh bằng máy TĐĐT 76 29 Hình 2.17: Chức năng đo gián tiếp của máy TĐĐT 78 30 Hình 2.18: Đo mặt cắt ngang bằng máy TĐĐT 79 31 Hình 3.1: Đường cong lún cố kết theo thời gian 83 32 Hình 3.2: Mốc lưới khống chế cơ sở và mốc quan trắc lún 89 33 Hình 3.3: Sơ đồ lưới khống chế cơ sở, lưới quan trắc lún 89 34 Hình 3.4: Đồ thị phương pháp Asaoka 91 35 Hình 3.5: Phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka bằng Excel 94 36 Hình 3.6: Trình tự phân tích số liệu quan trắc lún bằng Excel theo phương pháp Asaoka 95 37 Hình 3.7: Phân tích số liệu quan trắc lún theo Hyperbolic bằng Excel 96 38 Hình 3.8: Mốc quan trắc chuyển vị ngang của nền đường đắp trên đất yếu 98 39 Hình 3.9: Các phương án sơ đồ lưới quan trắc chuyển vị ngang 99 40 Hình 3.10: Bố trí lưới khống chế và mốc quan trắc chuyển vị ngang nền đường đắp 100 41 Hình 3.11: Quan trắc chuyển vị ngang nền đường bằng phương pháp giao hội góc- cạnh 102 42 Hình 3.12: Sơ đồ trình tự kỹ thuật quan trắc đồng thời độ lún và chuyển vị ngang nền đường trên đất yếu bằng máy TĐĐT 103 12 43 Hình 4.1: Sơ đồ và thiết bị thực nghiệm đo cao bằng máy TĐĐT trên đường Láng- Hòa Lạc kéo dài 107 44 Hình 4.2: Xác định chiều dài tia ngắm thực nghiệm trong đo cao bằng máy TĐĐT 108 45 Hình 4.3: Sơ đồ thực nghiệm bố trí độ cao tại các tầng nhà A2 111 46 Hình 4.4: Thiết bị thực nghiệm thành lập đường chuyền cấp 2 bằng phương pháp “GPS- động” 114 47 Hình 4.5: Sơ đồ thành lập lưới đường chuyền cấp 2 bằng phương pháp “GPS- động” 114 48 Hình 4.6: Điểm kiểm tra đo “GPS- động” 115 49 Hình 4.7: Sai số vị trí điểm trạm động 116 50 Hình 4.8: So sánh tọa độ giữa kết quả đo tĩnh và đo động tại các điểm kiểm tra 117 51 Hình 4.9: Mốc quan trắc chuyển vị trên đường cao tốc Nội Bài- Lào Cai 122 52 Hình 4.10: Lưới khống chế cơ sở chuyển vị ngang trên đường cao tốc Nội Bài- Lào Cai 123 53 Hình 4.11: Sơ đồ đo quan trắc chuyển vị ngang 125 54 Hình 4.12: Hướng chuyển vị ngang của mặt đường ở chu kỳ “1”, “2”, “3”, “4” 128 55 Hình 4.13: Sơ đồ đo lưới khống chế độ cao cơ sở quan trắc lún 129 56 Hình 4.14: Sơ đồ đo quan trắc lún mặt nền mặt đường 130 57 Hình 4.15: Tổng hợp kết quả quan trắc lún trên mặt cắt ngang 131 13 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Trong những năm qua với sự ưu tiên đầu tư, mạng lưới đường ô tô đã có bước phát triển vượt bậc về số lượng và cấp hạng kỹ thuật. Tất cả các tuyến đường quốc lộ được nâng cấp mở rộng, hoàn thành xây dựng một số tuyến đường cao tốc như Hà Nội- Hải Phòng, Nội Bài- Lào Cai, Pháp Vân- Cầu Giẽ, Sài Gòn- Trung Lương…, xây dựng nhiều nút giao khác mức và một số tuyến đường trên cao trong các đô thị lớn như nút giao Cát Lái, nút giao ngã ba Huế, đường cao tốc trên cao Mai Dịch- Bắc Linh Đàm…. Trong quy hoạch phát triển giao thông đường bộ đến năm 2020 là ưu tiên phát triển đường cao tốc, dự kiến xây dựng 17 tuyến cao tốc, quy hoạch 10 tuyến đường trên cao ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh nhằm giảm ùn tắc và tai nạn giao thông. Song song với những thành tựu xây dựng và phát triển mạng lưới đường ô tô, cũng đã xuất hiện nhiều vấn đề về chất lượng, tiến độ xây dựng và an toàn trong khai thác. Sự cố sụt trượt mái taluy vẫn thường xuyên xảy ra trong mùa mưa bão trên nhiều tuyến đường như quốc lộ 6, quốc lộ 2, quốc lộ 1, đường Hồ Chí Minh…., hiện tượng lún nền mặt đường ngày càng diễn biến phức tạp, nhiều công trình bị chậm tiến độ. Thực trạng trên đã gây bức xúc trong xã hội, đồng thời cũng đặt ra yêu cầu phải đẩy mạnh nghiên cứu, cải tiến quy trình kỹ thuật, ứng dụng khoa học công nghệ hiện đại để nâng cao chất lượng xây dựng và an toàn trong khai thác. Công tác trắc địa được tiến hành từ giai đoạn khảo sát thiết kế đến thi công và khai thác đường ô tô, là khâu quyết định đến chất lượng khảo sát địa hình, đảm bảo chất lượng về kích thước hình học trong thi công, thực hiện quan trắc chuyển vị của nền mặt đường. Vì vậy công tác trắc địa là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng xây dựng và an toàn khai thác đường ô tô. Với những tiến bộ của khoa học công nghệ, trong trắc địa đã xuất hiện những công nghệ hiện đại như công nghệ GPS, máy TĐĐT, máy TBĐT…nhiều quốc gia đã khai thác rất hiệu quả những công nghệhiện đại này trong xây dựng 14 và khai thác đường ô tô. Ở Việt Nam đã ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng đường ô tô từ nhiều năm nhưng chưa có nghiên cứu đầy đủ, thiếu tiêu chuẩn kỹ thuật, chưa khai thác hết tính năng kỹ thuật của thiết bị, trong nhiều trường hợp chưa đáp ứng yêu cầu. Việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô ở Việt Nam” là cần thiết để góp phần nâng cao chất lượng xây dựng và an toàn khai thác đường ô tô. 2. Mục đích Phân tích, đánh giá những hạn chế khi ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô. Đề xuất các giải pháp ứng dụng hiệu quả công nghệ trắc địa hiện đại phù hợp với thiết bị, điều kiện xây dựng và khai thác đường ô tô ở Việt Nam. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại (công nghệ GPS, máy TĐĐT, máy TBĐT)trong xây dựng và khai thác đường ô tô ở Việt Nam. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm 5. Những điểm mới của luận án - Chỉ ra những bất cập còn tồn tại khi ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đạitrong xây dựng và khai thác đường ô tô ở Việt Nam hiện nay. - Trong giai đoạn khảo sát thiết kế đường ô tô: Kiến nghị ứng dụng phương pháp “GPS- động” thành lập lưới đường chuyền cấp 2, kiến nghị ứng dụng máy TĐĐT thành lập đồng thời lưới khống chế độ cao hạng IV và lưới đường chuyền cấp 2. - Trong giai đoạn thi công đường ô tô: Kiến nghị phương pháp bố trí đồng thời vị trí mặt bằng và độ cao trong thi công nền mặt đường, nút giao khác mức và đường trên cao bằng máy TĐĐT. - Quan trắc chuyển vị nền đường 15 + Quan trắc chuyển vị nền đường trên đất yếu: Xác định độ chính xác của công tác quan trắc phù hợp với yêu cầu kiểm soát tốc độ chuyển vị theo quy định. Kiến nghị ứng dụng máy TBĐT, máy TĐĐT quan trắc độ lún và chuyển vị ngang. Kiến nghị ứng dụng nguyên lý “số bình phương tối thiểu” và phương pháp tính để phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic phù hợp với thực tiễn. + Quan trắc chuyển vị nền đường đắp cao: Kiến nghị độ chính xác của công tác quan trắc và chu kỳ quan trắc, ứng dụng máy TBĐT, máy TĐĐT quan trắc chuyển vị nền đường. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học - Xây dựng luận chứng kỹ thuật để ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô. - Kết quả nghiên cứu của đề tài là một trong những cơ sở khoa học để xây dựng và hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật đáp ứng yêu cầu xây dựng, quản lý, khai thác và phát triển mạng lưới đường ô tô ở Việt Nam. b. Ý nghĩa thực tiễn - Là tài liệu tham khảo để xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật, ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đường ô tô. - Cung cấp luận chứng kỹ thuật về độ chính xác quan trắc và phương pháp tính phù hợp yêu cầu phân tích số liệu quan trắc lún theo Asaoka và Hyperbolic trong xây dựng nền đường đắp trên đất yếu. 16 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI TRONG XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC ĐƢỜNG Ô TÔ 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI Công nghệ trắc địa hiện đại phổ biến ở Việt Nam bao gồm: công nghệ GPS, máy TĐĐT, máy TBĐT. Những công nghệ này đã được cung cấp và khai thác sử dụng trong thực tế, tuy nhiên nhà sản xuất chỉ cung cấp thông tin liên quan đến độ chính xác đo đạc cơ bản, hướng dẫn sử dụng thiết bị...Vì vậy trong nội dung dưới đây sẽ trình bày khái quát về cấu trúc và tính năng kỹ thuật cơ bản của công nghệ GPS, máy TĐĐT, máy TBĐT. 1.1.1. Máy toàn đạc điện tử a. Cấu tạo chung Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng chế tạo các máy TĐĐT, chúng có hình dạng, kích thước khác nhau nhưng chúng đều có sơ đồ cấu tạo như sau: 1 MÁY KINH VĨ ĐIỆN TỬ (DT) MÁY ĐO XA ĐIỆN TỬ (EDM) 2 BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM (CPU) 3 Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của máy toàn đạc điện tử Khối 1: Máy đo xa điện tử (EDM): Thực hiện việc tự động đo khoảng cách nghiêng từ điểm đặt máy đến gương hoặc các bề mặt phản xạ. Khối 2: Máy kinh vĩ điện tử (DT): Thực hiện tự động đo góc bằngvà góc đứng hoặc góc thiên đỉnh. Kết quả đo góc hiển thị dưới dạng số trên màn hình của máy hoặc chuyển vào bộ phận xử lý (Khối 3). 17 Khối 3: Bộ xử lý trung tâm (CPU): Thực hiện các bài toán trắc địa, xử lý các số liệu đo góc, đo cạnh từ máy đo xa và máy kinh vĩ điện tử để tính ra các đại lượng cần thiết, thực hiện quản lý dữ liệu…. b. Tính năng của máy TĐĐT - Đo góc: Máy TĐĐT thực hiện đo góc như một máy kinh vĩ điện tử. - Đo chiều dài:Máy TĐĐT đo khoảng cách nghiêng (D) từ điểm đặt máy đến điểm dựng gương hoặc các bề mặt phản xạ theo nguyên tắc phản xạ của sóng điện từ. - Đo cao: Máy TĐĐT đo cao theo nguyên lý của phương pháp đo cao lượng giác. Tuy nhiên độ chính xác đo cao không được công bố trong tài liệu của máy. - Đo bản đồ: Máy TĐĐT thực hiện đo bình đồ theo nguyên tắc đo điểm bằng phương pháp toàn đạc. Ưu điểm nổi bật là năng suất và độ chính xác rất cao. - Bố trí công trình: Hầu hết các loại máy TĐĐT hiện nay đều có chức năng bố trí điểm thiết kế (vị trí công trình) ra thực địa. - Đo gián tiếp: Cho phép xác định khoảng cách và chênh cao, góc phương vị giữa các điểm đặt gương ngắm liên tiếp. - Đo giao hội nghịch: Chức năng giao hội nghịch sử dụng để xác định tọa độ điểm đặt máy thông qua tọa độ đã biết của ít nhất 02 điểm đặt gương ngắm. - Đo chiều cao chướng ngại vật: Cho phép đo chiều cao điểm khó tiếp cận để đặt gương như đường điện cao thế, vách taluy… - Đo và tính diện tích: Chức năng này cho phép đo và tính diện tích từ khu vực đo thực tế hoặc tính diện tích từ dữ liệu các điểm đo đã lưu trong máy. c. Sự phát triển của máy TĐĐT 18 Máy TĐĐT liên tục phát triển và ngày càng hiện đại, phần mềm tiện ích được mở rộng thêm nhiều tính năng như modul “road 2D” và “road 3D” của thế hệ máy TĐĐT TS của hãng Leica được ứng dụng trong thi công đường ô tô. Đặc biệt đã Hình 1.2: Máy TĐĐT tự động xuất hiện loại máy TĐĐT tự động hoạt động như những robot trắc địa. 1.1.2. Công nghệ GPS a. Cấu trúc Công nghệ GPS là hệ thống định vị vệ tinh được bắt đầu sử dụng từ năm 1978 với cấu trúc như sau: (1) (Đoạn không gian) (3) (Đoạn sử dụng) (2) (Đoạn điều khiển) Hình 1.3: Cấu trúc của GPS - Đoạn không gian: Gồm các vệ tinh quay quanh trái đất với quỹ đạo cố định ở độ cao khoảng 20200km, các vệ tinh nhận tín hiệu từ “Đoạn điều khiển” và phát tín hiệu tới các máy thu của “Đoạn sử dụng”. - Đoạn điều khiển: Là các trạm điều khiển đặt ở nhiều khu vực trên trái đất có nhiệm vụ theo dõi hoạt động của các vệ tinh, cung cấp thông tin, duy trì và đảm bảo sự hoạt động của hệ thống GPS. 19 - Đoạn sử dụng: Là các máy thu để thu tín hiệu từ vệ tinh sau đó tính ra tọa độ hoặc số gia tọa độ. b. Nguyên tắc định vị và các phương pháp đo GPS - Nguyên tắc định vị: Nguyên tắc định vị của GPS dựa trên bài toán giao hội khoảng cách trong không gian, trong đó máy GPS thu tín hiệu của vệ tinh để sẽ xác định khoảng cách từ máy đến vệ tinh, với tọa độ của vệ tinh đã được xác định sẽ tính được tọa độ của máy thu theo bài toán giao hội khoảng cách (Hình 1.4). a) b) Hình 1.4: Nguyên tắc định vị GPS - Các phƣơng pháp đo GPS Đo GPS gồm có 2 phương pháp chủ yếu là đo tuyệt đối và đo tương đối, trong mỗi phương pháp được tiến hành theo các cách khác nhau như: đo tĩnh, đo động, đo vi phân, đo giả động. Hình 1.5: Các phương pháp đo GPS 1.1.3. Máy thủy bình điện tử a. Cấu tạo máy thủy bình điện tử Cấu tạo của máy TBĐT gồm: Bộ cân bằng con lắc điện tử, bộ phận thu phát tia laser, bộ nhớ và phần mềm xử lý dữ liệu. 20 Bộ cân bằng con lắc điện tử Bộ phận thu phát tia laser Bộ nhớ và phần mềm xử lý dữ liệu a. Cấu tạo máy TBĐT b. Máy TBĐT và mia mã vạch Hình 1.6: Máy thủy bình điện tử Máy TBĐT thường được sử dụng với mia mã vạch chuyên dụng. Khi sử dụng với mia thường, máy TBĐT hoạt động như máy thủy bình quang học. b. Nguyên lý hoạt động và độ chính xác của máy thủy bình điện tử Khi sử dụng mia mã vạch, máy TBĐT quét chùm tia để đọc thông số mã vạch trên mia. Phần mềm trong máy sẽ tính được hiệu độ cao và khoảng cách, thậm trí thực hiện các bài toán bình sai. Những máy TBĐT ở Việt Nam hiện nay cho phép đo cao với sai số khép từ 0,3mm/km đến 0,6mm/km với thời gian đo rất ngắn trong khoảng 2÷3 giây. Mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng khoảng cách lớn nhất từ máy TBĐT đến mia chỉ từ 100÷150m. 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRẮC ĐỊA HIỆN ĐẠI TRONG XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC ĐƢỜNG Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1. Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ trắc địa hiện đại trong xây dựng và khai thác đƣờng ô tô trên thế giới 1.2.1.1. Nghiên cứu đo cao bằng công nghệ GPS và máy toàn đạc điện tử Với máy TĐĐT và công nghệ GPS, nhà sản xuất chỉ công bố độ chính xác đo đạc các đại lượng cơ bản như đo góc, đo khoảng cách, định vị mặt bằng, đo cao trắc địa. Tuy nhiên độ cao thủy chuẩn là đại lượng được sử dụng phổ biến lại chưa được đề cập. Vì vậy đã có nhiều nghiên cứu đo cao bằng máy TĐĐT và GPS được thực hiện.