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
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

35
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
8
Bảng 2.6: Hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất khi đo cao bằng máy
TĐĐT
60
9
Bảng 2.7: Khảo sát ảnh hưởng của sai số ngắm đến kết quả đo
cao bằng máy TĐĐT
60
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
65
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
69
12
Bảng 2.10: Độ chính xác bố trí điểm bằng chương trình
“setting out” của máy TĐĐT
72
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
74
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
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”
109
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
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
73
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:

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).
BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
(CPU)
MÁY KINH VĨ
ĐIỆN TỬ
(DT)
MÁY ĐO XA
ĐIỆN TỬ
(EDM)
3
1
2
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
xuất hiện loại máy TĐĐT tự động
hoạt động như những robot trắc địa.

Hình 1.2: Máy TĐĐT tự động
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:

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.
(1)
(2)
(3)
(Đoạn không gian)
(Đoạn điều khiển)
(Đoạn sử dụng)
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




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.
Bộ cân bằng con
lắc điện tử
Bộ phận thu phát
tia laser
Bộ nhớ và phần
mềm xử lý dữ liệu
21

a. Nghiên cứu đo cao bằng công nghệ GPS
Kết quả đo GPS xác định được thành phần tọa độ mặt bằng (x, y) và độ
cao trắc địa (h). Tuy nhiên loại độ cao sử dụng phổ biến hiện nay là độ cao thủy
chuẩn (H) tính đến mặt Geoid hoặc Quasigeoid (Hình 1.7).

Hình 1.7: Nguyên lý đo cao GPS
Để đo cao bằng GPS phải tính chuyển từ độ cao trắc địa (h) sang độ cao
thủy chuẩn (H). Trong hình 1.7, bỏ qua độ lệch dây dọi ta có:
H= h- N (1.1)
Hoặc H= h- (1.2)
Trong đó :
N: Độ cao Geoid
: Dị thường độ cao
Để tính chuyển từ độ cao trắc địa (h) sang độ cao thủy chuẩn (H) phải xác
định độ cao Geoid (N) hoặc dị thường độ cao ( ). Hiện nay đã có một số mô
hình Geoid toàn cầu như OSU-91A, EGM-96, EGM 2008 phục vụ đo cao GPS,
tuy nhiên độ chính xác của mô hình không đồng đều giữa các vùng lãnh thổ. Vì
vậy nhiều quốc gia đã đầu tư nguồn kinh phí rất lớn để xây dựng mô hình Geoid
cục bộ phục vụ đo cao bằng GPS đạt độ chính xác cao từ 0,01÷0,04m ([57],
[79]…).
H
N ( )
h
GPS
Quasigeoid
22

Để xây dựng mô hình Geoid phục vụ đo cao GPS với độ chính xác cao
cần nguồn kinh phí rất lớn. Giải pháp này rất khó khả thi ở các quốc gia đang
phát triển.
b. Nghiên cứu đo cao bằng máy TĐĐT
Máy TĐĐT đo cao theo nguyên lý của phương pháp đo cao lượng giác
(Hình 1.8).

Hình 1.8: Nguyên lý đo cao của máy TĐĐT
Trong hình 1.8, tiến hành đo khoảng cách nghiêng (D), góc đứng (V) hoặc
góc thiên đỉnh (Z), đo chiều cao gương (l), đo chiều cao máy (i). Hiệu độ cao
giữa điểm đặt máy và điểm dựng gương tính như sau:
R
VD
kliVDh
2
)cos.(
)1(sin.
2
(1.3)
Hoặc:
R
ZD
kliZDh
2
)sin.(
)1(cos.
2
(1.4)
Với k là hệ số chiết quang đứng, R là bán kính cong của trái đất.
Nhiều nghiên cứu độ chính xác đo cao của máy TĐĐT đã được thực hiện,
trong đó đã xác lập mối quan hệ giữa độ chính xác đo cao với chiều dài tia ngắm,
V
Z
S
D
l
h

i
23

nhiều quốc gia đã xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật đo cao bằng máy TĐĐT (Bảng
1.1).
Bảng 1.1: Độ chính xác đo cao bằng máy TĐĐT ở nước ngoài
TT
Chiều dài tia
ngắm lớn nhất
Độ chính xác
của máy TĐĐT
Độ chính xác
đo cao
Tài liệu công bố
1
1000ft (300m)
Đo góc: 2”
Đo cạnh: 2mm+ 2ppm
Kmm2

Đề tài NCKH- 1989
tại Canada, [45]
2
250m
Đo góc: 3”
Đo cạnh: 3mm+1ppm
Kmm3

Đề tài NCKH- 2005
tại Ai Cập, [46]

3
300m
Đo góc: 1”
Đo cạnh: 3mm+2ppm
2
Kmm

Đề tài NCKH- 2008
tại Thổ Nhĩ Kỳ,
[47]
4
280m
Đo góc: 2”
Đo cạnh: 2mm+2ppm
2,3
Kmm

Đề tài NCKH- 2001
tại Hàn Quốc, [60]
5
200m
Đo góc: 3”
Đo cạnh: 3mm+3ppm
8
Kmm

Tiêu chuẩn bang
Connecticut- 1997,
[49]
6

300m
Đo góc: 5”
Đo cạnh: 5mm+5ppm
8
Kmm

Tiêu chuẩn quân
đội Mỹ- 2007, [51]
7
1000ft (300m)
Đo góc: 2”
Đo cạnh: 2mm+2ppm
8
Kmm

Tiêu chuẩn bang
Newyork- 2009,
[70]
8
180m
Đo góc: 2”
Đo cạnh: 2mm+2ppm
8
Kmm

Tiêu chuẩn Úc-
2004, [58]
9
700ft (210m)
Đo góc: 6”

Đo cạnh: 3mm+3ppm
8
Kmm

Tiêu chuẩn bang
Washington- 2005,
[77]
10
1500ft (500m)
Đo góc: 6”
Đo cạnh: 3mm+3ppm
12
Kmm

Tiêu chuẩn bang
Pensylvania- 2010,
[73]
11
≤1000m
Đo góc: 2”
Đo dài: 10mm
20
Kmm

Tiêu chuẩn của
Trung Quốc năm
2008 [67]
( Ghi chú: K là chiều dài đường đo, ft là ký hiệu của đơn vị đo dài foot)
Độ chính xác đo cao bằng máy TĐĐT thống kê trong bảng 1.1 đạt được
rất cao, tuy nhiên chiều dài tia ngắm và độ chính xác của máy TĐĐT không

24

thống nhất. Do vậy khi ứng dụng ở Việt Nam cần phải nghiên cứu, xem xét các
điều kiện phù hợp.
1.2.1.2. Ứng dụng công nghệtrắc địa hiện đạitrong xây dựng và khai thác
đường ô tô
a. Trong giai đoạn khảo sát thiết kế
Hầu hết các tính năng kỹ thuật của máy TĐĐT và công nghệ GPS đã được
khai thác phục vụ thành lập lưới khống chế mặt bằng, lưới khống chế độ cao, đo
vẽ bản đồ địa hình…. Máy TĐĐT và công nghệ GPS còn được sử dụng để
truyền độ cao trong một số trường hợp địa hình đặc biệt khó khăn như truyền độ
cao qua khu vực đầm lầy, biển đảo [52]. Nhiều quốc gia đã ban hành tiêu chuẩn
kỹ thuật khảo sát địa hình bằng máy TĐĐT và công nghệ GPS ([48], [49], [50],
[53],[67], [68], [69], [70], [78]).
b. Bố trí vị trí mặt bằng và độ cao trong thi công đường ô tô bằng máy
TĐĐT và công nghệ GPS
Với các thành tựu nghiên cứu độ chính xác đo cao của máy TĐĐT và
công nghệ GPS, những thiết bị này đã được sử dụng để bố trí đồng thời cả vị trí
mặt bằng và độ cao trong thi công đường ô tô, thậm chí đã tích hợp máy thi công
với máy TĐĐT hoặc GPS để hình thành dây chuyền thi công tự động (Hình 1.9).


a) Sử dụng máy TĐĐT tự động trong
xây dựng đường ô tô ở Ấn Độ
b) Kiểm soát độ cao bằng GPS trong
xây dựng đường ở bang Houton- Mỹ
25

c) Tích hợp GPS trên máy ủi ở Đức
d) Bố trí vị trí mặt bằng và độ cao bằng
TĐĐT ở nút giao khác mức trên đường
cao tốc I-15 (Mỹ)
Hình 1.9: Ứng dụng GPS và máy TĐĐT trong thi công đường ô tô
Sử dụng máy TĐĐT và GPS trong thi công cầu và nút giao khác mức
cũng được quy định trong nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật ([67], [70], [71]…).
c. Quan trắc chuyển vị đường ô tô
- Quan trắc chuyển vị mặt đất khu vực thi công đường ô tô
Với mục đích kiểm soát chuyển vị của mặt đất khi xây dựng đường ô tô,
nhiều hệ thống quan trắc tự động sử dụng máy TĐĐT và công nghệ GPS đã
được xây dựng như: Hệ thống quan trắc bằng máy TĐĐT trong xây dựng nút
giao ở Anh bằng máy TĐĐT [55], hệ thống quan trắc chuyển vị mặt đất bằng
công nghệ GPS và máy TĐĐT trong dự án xây dựng hầm đường bộ Niayesh ở
thủ đô Tehran- Iran [65]…
- Quan trắc chuyển vị nền đường xây dựng trên đất yếu
Quan trắc độ lún và chuyển vị ngang trong xây dựng nền đường trên đất
yếu là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải thực hiện thường xuyên. Máy TĐĐT và
TBĐT đã được sử dụng phổ biến trong quan trắc chuyển vị ngang và quan trắc
độ lún, công tác này đã được quy định trong nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật ([69],
[76], [77]…).
- Phân tích số liệu quan trắc lún: Đã có nhiều phương pháp phân tích số
liệu quan trắc lún nền đường trên đất yếu được đề xuất, trong đó hai phương
pháp Asaoka ([54]) và Hyperbolic được sử dụng phổ biến.