Hệ thống thông số kỹ thuật của đường sắt đô thị thế giới vμ lựa chọn một số thông số cơ bản cho đường sắt đô thị Việt Nam ts phạm Văn ký Đại học Giao thông Vận tải ks nguyễn hữu thiện
Trang 1Hệ thống thông số kỹ thuật của đường sắt đô thị
thế giới vμ lựa chọn một số thông số cơ bản
cho đường sắt đô thị Việt Nam
ts phạm Văn ký
Đại học Giao thông Vận tải
ks nguyễn hữu thiện
PMU18 Tóm tắt: Bμi báo trình bμy hệ thống đường sắt đô thị thế giới, các ưu nhược điểm, cách
phân loại vμ nguyên tắc thiết lập đường sắt đô thị, hệ thống các tiêu chuẩn thiết kế ĐSĐT của nước ngoμi Báo cáo cũng bμn về việc lựa chọn một số thông số cơ bản cho ĐSĐT ở Việt Nam
Summary: This article is about overviews of Transit in the World The piece involves
advantages of transit system, clasification of the transit, and principles for establishing transit system, some criteria of rail lines in the World and recommended main criteria for Transit Network in big cities in Vietnam
Mở đầu
Giao thông đô thị đang là một trong những vấn đề cấp bách nhất trong quản lý đô thị đặc biệt tại các đô thị lớn ở Việt Nam như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh Để đáp ứng nhu cầu giao thông trong những năm tới thì việc cải tạo cơ bản và toàn diện mạng lưới giao thông là một điều
đặc biệt cần thiết Trong cơ cấu cơ sở hạ tầng GTĐT thì việc hình thành một mạng lưới giao thông đường sắt đô thị một cách hợp lý chiếm vị trí đặc biệt quan trọng Từ kinh nghiệm của các nước trên thế giới có thể nói tại các đô thị lớn Việt Nam vấn đề giao thông khó có thể giải quyết
được nếu không tiến hành nghiên cứu xây dựng mạng lưới ĐSĐT Vì vậy nghiên cứu để xây dựng
ĐSĐT nhằm tăng tối đa năng lực thông qua của bản thân mạng ĐSĐT đồng thời phát huy được hiệu quả của các loại hình phương tiện GT khác là một việc làm hết sức cấp bách và cần thiết
1 Vμi nét về mạng lưới đường sắt đô thị trên thế giới
Hệ thống vận tải công cộng thành phố, đặc biệt là hệ thống đường sắt đóng một vai trò quan trọng kể từ nửa cuối thế kỷ 19 Tàu điện mang lại lợi ích xã hội do tăng tốc độ lưu thông và giảm giá vé, phí đi lại rẻ đã giúp người lao động đi lại từ chỗ ở đến nơi làm việc với một cự ly
đáng kể, vì vậy việc làm nhà ở ngoại ô đã trở nên khả thi đối với người có thu nhập thấp và như vậy tránh được việc tập trung quá đông dân cư ở khu vực trung tâm thành phố
Vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 20 hầu hết các thành phố lớn và vừa ở châu Âu đã xây dựng những mạng lưới tàu điện nội đô và nó là phương tiện GTCC duy nhất Tuy nhiên ngày càng gia tăng nhu cầu giao thông và ngày càng xuất hiện nhiều hơn các loại hình GTCC và điều này đã làm nảy sinh các vấn đề vướng mắc trong chính các loại hình dịch vụ GTCC Đã có sự
Trang 2thay đổi lớn lao xảy ra khi các xe ô tô tư nhân và xe bus công cộng gia tăng Tại Mỹ vận tải
đường sắt trên phố (Street Transit) đã suy giảm rất sớm Các nhà sản xuất lốp ô tô và các công
ty dầu lửa đã mua các tuyến xe điện và chấm dứt sự hoạt động của chúng Vận tải đường sắt nội đô được đánh giá là vật cản của hệ thống giao thông đô thị và phải nhường chỗ cho giao thông dựa vào ô tô
Phải thừa nhận rằng ô tô tư và xe bus đưa lại nhiều tiện lợi Tuy nhiên vào những năm 1970 các tuyến đường bộ ngày càng trở nên đông đúc Nhũng tiện ích của xe ô tô nay đã trở nên bất tiện thay vào đó là việc tăng thời gian đi lại Ngoài ra vấn đề ô nhiễm không khí do các động cơ
đốt trong gây nên đã đang là vấn đề hết sức bức xúc Chính vì vậy đã làm nảy sinh những ý tưởng mới nhằm phục hồi GT đường sắt và phát triển những hệ thống đường sắt mới chất lượng cao
Khoảng 30 năm gần đây, đặc biệt là trong thập kỷ 90 thế kỷ 20 ĐSĐT phát triển rất nhanh trên thế giới Trước năm 1970 chỉ có ít thành phố có hệ thống ĐSĐT thì đến nay đã có khoảng
190 thành phố có hệ thống này và hàng chục thành phố khác đang xây dựng nằm rải rác trên
70 nước trên thế giới
Sở dĩ ĐSĐT phát triển như vậy vì nó có những ưu điểm cơ bản sau đây:
1 Năng lực chuyên chở lớn: Năng lực của một tuyến tàu điện hiện đại có thể lên tới 30.000
- 80.000 HK/h
2 Diện tích chiếm đất ít: Thống kê cho thấy vận tải xe con phải chiếm tới 36m2 đất cho 1.000 chỗ ngồi-km, xe buýt mất 6,3 m2 còn ĐSĐT chỉ mất 3,5 m2 Khi tuyến tàu điện đi lên cao (Elevated) hoặc đi ngầm (Underground) thì diện tích chiếm đất của thành phố lại càng ít hơn
3 Tất cả các loại hình ĐSĐT đều dùng năng lượng điện nên độ ô nhiễm không khí rất nhỏ
so với ô tô con và xe buýt Vấn đề giảm tiếng ồn cũng được xử lý triệt để trên các tuyến ĐSĐT hiện đại
4 Tiết kiệm năng lượng: Tính cho 1.000 chỗ ngồi-km thì vận tải ô tô con hết 262 KW/h, xe buýt hết 58 KW/h, metro hết 64 KW/h và tàu điện nhẹ hết 56 KW/h
5 An toàn: Thống kê năm 1987 ở Nhật cho thấy số người chết do tai nạn giao thông tính trên 1 tỷ HK-Km ở vận tải ô tô lớn gấp 9,6 lần ĐSĐT
6 Việc rút ngắn thời gian chạy tàu do tốc độ bình quân của ĐSĐT thường cao hơn vận tải ô tô khoảng hơn 3 lần và bảo đảm đi đến đúng giờ, không bị ảnh hưởng bởi những trở ngại ngẫu nhiên trên đường
2 Phân loại đường sắt đô thị
Trong thực tế việc phân loại ĐSĐT rất khác nhau Tên đặt cho các hệ thống khác nhau từ nước này sang nước khác và thậm chí là khác nhau từ thành phố này đến thành phố khác trong cùng một nước Các nhóm khái niệm được dùng để phân loại:
a Theo mức độ hoạt động (kể cả năng lực thông qua)
- Street Transit: ĐSĐT trong các khu phố
- Semirapid Transit: ĐSĐT bán tốc độ cao hoặc ĐSĐT khối lượng vận tải vừa
- Mass Rapid Transit: ĐSĐT tốc độ cao hoặc ĐSĐT khối lượng vận tải lớn
Trang 3b Theo các đặc trưng cơ bản
- Không dẫn hướng (Nonguided)
- Dẫn hướng (Guided)
c Theo đặc trưng vận hμnh
- Vận hành thủ công
- Vận hành tự động
Theo công nghệ đường sắt phân thành ĐSĐT có sức chở trung bình, ĐSĐT có sức chở lớn,
và Đường sắt công nghệ mới hiện đại Cả ba loại này đều thuộc loại dẫn hướng
1 ĐSĐT có sức chở trung bình (dưới 30.000 HK/h) gồm
1-1 Tàu điện 1 ray (Monorail); Tàu điện 1 ray có 2 kiểu; kẹp và treo
1-2 Tàu điện nhẹ LRT (Light Rail Trainsit) với các đặc trưng là: Tách riêng làn đường
Hệ thống thông tin tín hiệu hiện đại giúp khai thác LRT với tốc độ cao Các toa xe hiện
đại, gia giảm tốc nhanh, có thiết bị kiểm tra tự động
2 ĐSĐT có sức chở lớn - Heavy rail system Thuộc loại này có tàu cao tốc Express,
SBahn và Metro Đoàn tàu thường gồm 4 - 10 toa, năng lực vận tải rất lớn (60.000 - 80.000 HK/h)
3 Các loại hình vận tải mới xuất hiện
3-1 Tàu tự động không người lái AGT (Automatic Guided Train) chạy trên một đường dẫn hướng riêng biệt
3-2 Tàu động cơ tuyến tính LIM (Linear Motor) Mỗi trục xe gắn một động cơ tuyến tính chạy trên ray khổ 1435, cấp điện 1500DC
3-3 Tàu đệm từ MAGLEV Động cơ tuyến tính nhưng chạy trên một đệm không khí do lực đẩy của từ tạo nên Đệm không khí dày 10mm tới 100mm
3-4 Tàu không lưu (Aeromover) hoạt động theo nguyên lý chuyển động của tàu cánh buồm
3 nguyên tắc thiết lập Đường sắt đô thị
Theo số liệu thống kê trên thế giới có thể xem những giới hạn sau đây mang tính nguyên tắc:
Lượng hμnh khách Phương tiện thích hợp
10.000 - 20.000 Xe bus truyền thống
20.000 - 30.000 Light Rail (LR) loại I hoặc xe bus truyền thống
30.000 - 40.000 LR loại I, loại II
40.000 - 50.000 LR loại II, Mass Rapid Rail (MRR)
> 50.000 (MRR)
• ĐSĐT phải hiện đại, văn minh, phù hợp với Quy hoạch phát triển không gian đô thị trong tương lai
• Hệ thống mạng ĐSĐT phải có sự kết nối liên hoàn và đồng bộ với mạng giao thông thành phố Kết nối các trung tâm chính trị văn hoá, các điểm dân cư tập trung
Trang 4• Do kinh phí đầu tư ĐSĐT rất lớn nên trong lựa chọn phương án cần có tầm nhìn xa, đón
đầu, tránh tình trạng công trình sớm trở nên lạc hậu, quá tải
• ĐSĐT phải bảo đảm ảnh hưởng tiêu cực ít nhất đến cảnh quan kiến trúc đô thị và môi
trường, đặc biệt đối với khu vực trung tâm thành phố
• Về loại hình phương tiện không sử dụng nhiều chủng loại để thuận tiện cho tổ chức quản
lý khai thác, duy tu bảo dưỡng
• Mạng ĐSĐT phải góp phần đắc lực biến giao thông công cộng trở thành phương tiện giao
thông chủ yếu hấp dẫn, văn minh, nhanh chóng và an toàn nhất
4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của đường sắt đô thị Thế giới
Do cấu tạo của đầu máy toa xe, tính chất vận tải của đường sắt đô thị có những nét rất đặc
trưng nên các tiêu chuẩn thiết kế của ĐSĐT có nhiều điểm khác biệt so với đường sắt thông thường
4.1 Siêu cao và tốc độ
Siêu cao lớn nhất cực hạn
- Cho đường ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 150 mm
- Cho đường ray đặt trên nền balat: 125 mm
Siêu cao lớn nhất nên dùng
- Cho đường ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 125 mm
- Cho đường ray đặt trên nền balat: 110 mm
Siêu cao thiếu cho phép
Siêu cao thiếu lớn nhất cho phép trên đường bằng đối với ray hàn liền và ray có mối
nối: 110 mm Siêu cao thiếu lớn nhất cho phép trên đường rẽ và tâm ghi đối với ray hàn liền
và ray có mối nối: 90 mm
Giới hạn siêu cao ngược (ray lưng thấp hơn ray bụng) ở khu vực lưỡi ghi và tâm ghi đối
với ray hàn liền và ray có mối nối: 80 mm
Theo quan hệ: Vmax =4.5 R đường được thiết kế trên cơ sở tốc độ lớn nhất như sau:
Bán kính đường
cong (m)
Tốc độ (km/h) Bán kính đường
cong(m)
Tốc độ (km/h)
Siêu cao áp dụng chính xác tới mm đối với ray trên nền bê tông và chính xác tới 5mm đối
với ray trên nền balat
Trang 5Độ vuốt siêu cao theo các giới hạn sau:
° Lớn nhất cực hạn = 2/1000
° Lý tưởng = 1.3/1000
° Tối thiểu = 1:1000
Tốc độ dâng cao gờ bánh xe:
° Lớn nhất cực hạn = 55 mm/sec (cho đường bằng)
° Lớn nhất nên dùng = 35 mm/sec
° Lớn nhất cực hạn = 80 mm/sec(cho khu vực giao cắt, ghi)
4.2 Bán kính tối thiểu
Bán kính tối thiểu nên dùng: 200 m
Bán kính tối thiểu cực hạn:
Đối với tuyến: Trên mặt đất hoặc trên cao: 100 m
Trong hầm: 200 m Trong phạm vi depots: 100 m
4.3 Đường cong chuyển tiếp
Đường cong chuyển tiếp có dạng đường cong xoắn clothoid hoặc parabol bậc 3 theo các phương trình sau:
° Đường cong clothoid
C 42240
d C
336
d C 6
d y
5 11 3
7 3
ư +
ư
=
4.4 Đoạn chêm giữa 2 đường cong
Chiều dài đoạn thẳng giữa hai đường cong hoặc chiều dài đường cong chuyển tiếp khi cần
có đường cong chuyển tiếp đối với hai đường cong tròn liên tiếp cùng chiều hoặc ngược chiều không nhỏ hơn các giá trị sau:
Chiều dài tối thiểu lý tưởng: 50 m
Chiều dài tối thiểu nên dùng: 25 m
Chiều dài tối thiểu cực hạn 17 m
4.5 Chiều dài đoạn cung tròn nhỏ nhất
Đối với đường cong có chuyển tiếp chiều dài đường cong tròn Kmin còn lại giữa hai đường cong chuyển tiếp không nhỏ hơn các giá trị sau:
Chiều dài tối thiểu lý tưởng: 50 m
Chiều dài tối thiểu nên dùng: 25 m
Chiều dài tối thiểu cực hạn 17 m
Trang 64.6 Giới hạn lớn nhất về trị số độ dốc hạn chế
Đối với đường chính tuyến ngoài ga giá trị độ dốc lớn nhất cực hạn lấy bằng 5% Khi độ dốc
từ 2.5% đến 5% thì chiều dài đoạn dốc nên chọn ngắn có thể
Độ dốc thoát nước trên toàn chiều dài hầm cũng như trong ga cụ thể như sau:
- Độ dốc nhỏ nhất nên dùng 0.5%
- Độ dốc nhỏ nhất cực hạn: 0.25%
4.7 Bán kính đường cong đứng
Cần tránh bố trí đường cong đứng trên đường cong chuyển tiếp Trường hợp không thể tránh đựợc thì cần chọn bán kính đường cong đứng lớn nhất có thể
° Bán kính nên dùng tối thiểu: 1000 m
Chiều dài đoạn dốc không đổi giữa các đường cong đứng liên tiếp lấy bằng:
° Giá trị nhỏ nhất nên dùng: 50 m
° Giá trị nhỏ nhất cực hạn: 25 m
5 Kiến nghị một số tiêu chuẩn cơ bản của đường sắt đô thị Việt Nam
5.1 Khổ đường Dùng khổ tiêu chuẩn 1435 mm là khổ đường chiếm tới 80% chiều dài
mạng đường sắt đô thị Thế giới
5.2 Các tiêu chuẩn chủ yếu của tuyến đường
Bán kính tối thiểu nên dùng: 200 m
Bán kính tối thiểu cực hạn
° Đối với tuyến: - Trên mặt đất hoặc trên cao: 100 m
- Trong hầm: 200 m
° Trong phạm vi depots: 80 - 100 m
Siêu cao lớn nhất cho phép
° Siêu cao lớn nhất cực hạn
- Cho đường ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 150 mm
- Cho đường ray đặt trên nền balat: 125 mm
° Siêu cao lớn nhất nên dùng
- Cho đường ray đặt trên nền bê tông (không ba lat): 125 mm
- Cho đường ray đặt trên nền balat: 110 mm
Đường cong chuyển tiếp
° Dùng đường cong chuyển tiếp clothoit
Trang 7Độ vuốt siêu cao theo các giới hạn sau:
° Lớn nhất cực hạn = 2:1000
° Lý tưởng = 1.3:1000
Bán kính đường cong đứng
° Bán kính tối thiểu nên dùng: 1000 m
Độ dốc lớn nhất
°Độ dốc lớn nhất cực hạn lấy bằng 5% Tuy nhiên cần tránh các dốc ≥ 3%
Vận tốc: Vận tốc thiết kế tối đa: 80 km/h, vận tốc vận hành tối đa 80 km/h, tốc độ lữ hành
45 km/h
5.3 Loại hình kiến trúc: Trên cao hoặc đi ngầm
Ray: Sử dụng loại ray 50 kg/m trở lên Ray đặt trên đường phải là ray hàn
Tμ vẹt: Sử dụng phổ biến tà vẹt bê tông dự ứng lực Dùng loại tà vẹt dọc cho ĐSTC và bản
bê tông liền khối cho hầm,
Đường sắt trên cao - Hệ cầu
- Chiều cao cầu Kiến nghị không sử dụng tiêu chuẩn tĩnh không tối thiểu mà sử dụng chiều
cao cầu từ 7 - 12 m
- Chiều dμi nhịp cầu Chọn loại nhịp có chiều dài phổ biến 28 - 40 m Đối với các trường
hợp cá biệt chiều dài nhịp có thể lên tới 60 hoặc lớn hơn
- Kết cấu móng Dùng cọc bê tông khoan nhồi kích thước phù hợp với điều kiện địa chất
Đường sắt đi ngầm - Phần hầm
Mặt cắt ngang hầm đoạn thông thường có chiều rộng 11400 mm, cao 6200 mm, vỏ hầm dày khoảng 700 mm, đỉnh hầm cách mặt đất khoảng 6500 mm
Chiều dμi ga Thiết kế chiều dài ga tới 150m để có thể chứa tới 5 - 6 toa xe
Khoảng cách giữa các ga Bố trí khoảng cách các ga từ 700 - 1000 m
5.4 Thông tin tín hiệu, đầu máy toa xe
Cấp điện vμ thông tin liên lạc Dùng hình thức cấp điện bên hông (ray thứ 3) Thông tin
liên lạc dùng hệ điều khiển tự động hiện đại, áp dụng thành tựu mới nhất của công nghệ thông
tin
5.5 Đầu máy toa xe
Đề nghị dùng thiết bị đầu máy toa xe của hãng Siemen là hãng nổi tiếng nhất về công nghệ chế tạo đầu máy toa xe cho đường sắt đô thị
Sau đây là một số đặc điểm tính năng của đầu máy toa xe hiện dùng phổ biến (sản phẩm của hãng Siemen):
Trang 8Thμnh phần Số đo Ghi chú
6 Kết luận
Qua phân tích ở trên ta thấy việc nghiên cứu ĐSĐT ở Việt Nam hiện nay là rất cần thiết Các định hướng của việc xây dựng đổi mới và cơ cấu lại ngành đường sắt đã được khẳng định trong các quyết định của Thủ tướng Chính phủ Việc nghiên cứu xây dựng ĐSĐT tại Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh đã thu hút hầu hết các cơ quan nghiên cứu đầu ngành về GTVT tại Việt Nam
và một số hãng nghiên cứu có tiếng về lĩnh vực này trên thế giới
Tuy nhiên do loại hình vận tải này còn mới mẻ đối với Việt Nam nên các cơ quan nghiên cứu đã bỏ nhiều công sức để đạt kết quả nghiên cứu đủ độ tin cậy cần thiết về các giải pháp kỹ thuật lẫn tính hiệu quả của đầu tư
Tài liệu tham khảo
[1] Tiêu chuẩn ĐSĐT Anh áp dụng cho hệ thống ĐSĐT Bangkok (Tiếng Anh)
[2] Đường sắt ĐSĐT Trung Quốc (Tiếng Trung)
[3] Các Nghiên cứu khả thi ĐSĐT Indonesia, Việt Nam, Thái Lan (Tiếng Anh, Tiếng Việt)