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

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

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”

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

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

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 1.12: 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

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 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

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

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.

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.
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


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).


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]

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”

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