Một số cái nhìn ban đầu về điều kiện hình học đường ô tô xét đến an toàn của xe buýt giường nằm ở Việt Nam

ª PGS. TS. Vũ Hoài Nam Trường Đại học Xây dựng  ª TS. Hoàng Quốc Long Học viện Kỹ thuật Quân sự

Tóm tắt: Tai nạn xe buýt giường nằm trên các đoạn đường quanh co đèo dốc thường gây ra những thiệt hại nghiêm trọng. Thống kê trên thế giới cho thấy, các xe buýt cao chiếm trên 50% tổng số vụ tai nạn lật xe buýt. Bài báo trình bày một số nghiên cứu ban đầu về các vấn đề thiết kế hình học cho các tuyến đường có xe buýt giường nằm qua lại và một số khuyến cáo để tăng cường ATGT cho loại xe này.

Từ khóa: Điều kiện hình học đường ô tô, xe buýt giường nằm.

Abstract: The traffic accidents related to high-desk buses acoount for over 50% of bus roll-over worldwide. This paper present some initial studies about highway geometric design based on the analysis of lateral skid and roll-over of intercity buses with high-desk.Some recommendations are provided in order to enhance safety performance of this transport mode.

Keywords: High-desk bus, highway geometric design, bus safety.

1. Mở đầu

Theo số liệu thống kê mới nhất năm 2014, cả nước có 4.554 xe buýt giường nằm được các hãng trong nước thiết kế lắp đặt và chế tạo chạy trên nhiều tuyến có cự ly trung bình từ 300km - 1.500km, sức chứa trung bình khoảng từ 44 - 48 người nằm khi đầy tải [1]. Các xe vận tải hành khách này đã đóng một vai trò không nhỏ trong vận tải hành khách liên tỉnh, đặc biệt cho các vùng mà điều kiện tiếp cận của các loại hình vận tải khác là khó khăn. Mặc dù vậy, tai nạn xe buýt đường dài thường đặc biệt nghiêm trọng do các xe có sức chở người lớn. Do phần lớn các chuyến xe ở Việt Nam chạy trong các điều kiện ban đêm và thường xuyên chạy trên đường đèo dốc quanh co, các vấn đề về phân tích các điều kiện đường và ATGT cho loại xe buýt này, vì vậy cần phải kiểm tra và có cái nhìn toàn diện hơn để đề xuất giải pháp đảm bảo ATGT.

2. Tình hình TNGT liên quan đến xe khách giường nằm

Khoảng 15 năm trở lại đây, số lượng xe buýt sàn cao HD (High Decker) và xe 2 sàn DD (Double-Deck) ngày càng được phát triển, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Thống kê ở một số nước cho thấy, các xe HD và DD (tức các xe có chiều cao lớn hơn 3,4m) dùng cho vận chuyển đường dài và du lịch có tỷ lệ tai nạn lật xe cao hơn tất cả các xe buýt thông thường (có chiều cao trung bình dưới 3,2m), chiếm tới tổng số khoảng 50% số vụ lật xe buýt [6]. Nguyên nhân được nghiên cứu này phân tích là do hai vấn đề là; (1) ổn định ngang của các xe này không đủ và (2) không có thiết bị phù hợp để kiểm định lật của loại xe cao; cũng vậy với loại xe DD, không có tiêu chuẩn đánh giá về độ chịu biến dạng của kết cấu khung của loại xe này. Ở nước ta, năm 2013 đã xảy ra 22 vụ TNGT liên quan đến xe buýt giường nằm [2], tuy nhiên nguyên nhân về sự mất ổn định ngang chưa được chỉ rõ.

3. So sánh sự khác biệt giữa xe tại Việt Nam và xe tại một số nước

Các xe buýt giường nằm có xu hướng phát triển nhanh ở nước ta do sự tiện nghi mà nó mang lại cho hành khách. Các xe được cung cấp bởi một số nhà sản xuất ô tô. Dưới đây là bảng thống kê các thông số cơ bản của các xe (Bảng 3.1). Có thể thấy với các loại xe này, xe có chiều cao từ 3,69m đến 3,80m thuộc nhóm xe HD như đã đề cập ở trên. Như vậy, chúng thuộc diện nhóm có nguy cơ lật xe cao hơn các loại xe khác như đã trao đổi. Để làm rõ hơn vấn đề này, có thể so sánh kích thước của của chúng với một số loại xe buýt thiết kế được quy định trong tiêu chuẩn AASHTO 2011, [5] (Bảng 3.2).

Bảng 3.1. Kích thước cơ bản của xe buýt giường nằm sản xuất tại Việt Nam [3]

 

Bảng 3.2. Kích thước cơ bản của xe buýt giường nằm theo AASHTO 2011

Như vậy, so với các xe thiết kế của Mỹ dùng cho vận tải hành khách đường dài, loại xe của Việt Nam đều có kích thước tương tự về chiều rộng, chiều dài toàn xe và khoảng cách trục cơ sở, tương đương với BUS-12. Tuy nhiên, điều khác biệt cơ bản thể hiện ở hai điểm sau:

- Xe buýt của Việt Nam cao hơn, đặc biệt là xe của Trường Hải (3,80m); điều này có thể làm trọng tâm xe cao hơn và gây kém an toàn hơn;

- Các xe buýt đường dài của Mỹ hầu hết đều có 3 trục, điều này cho phép tăng sức bám, tăng độ ổn định ngang của xe tốt hơn các xe của Việt Nam.

Hình 3.1: Xe BUS-12 theo Tiêu chuẩn AASHTO có 3 trục, 10 bánh [5]

Hình 3.2: Xe BUS-14 theo Tiêu chuẩn AASHTO có 3 trục, 10 bánh [5]

 

4. Cơ chế mất ổn định của xe buýt

Xe buýt có thể lật theo hai phương. Nó có thể lật theo phương trục vuông góc với mặt thẳng đứng dọc trục xe do chủ yếu xe lao khỏi đường cong và cắm xuống các vực sâu thẳng đứng. Theo thống kê loại này chỉ chiếm vào khoảng từ 1% - 2% tai nạn lật xe buýt. Loại thứ 2 là xe lật xoay theo trục dọc của xe, chiếm tới 98%, [6]. Loại này có 2 kiểu cơ bản: (1) dạng mất ổn định do các lực tác động từ bên ngoài như trong các vụ va chạm, bị va vào các đá vỉa hoặc dải phân cách, đi vào các nền đường lún một bên và (2) dạng bị lật khi đi vào các đường cong nằm có bán kính nhỏ (Hình 4.1).

Hình 4.1: Các cơ chế lật ngang xe (từ trái sang phải: Lật do vào cong nằm, lật do bị kê chắn bánh bởi chướng ngại vật và lật do nền bị lún)

 

4.1. Cơ chế mất ổn định ngang của xe do trượt ngang dưới tác dụng của lực ly tâm

Nghiên cứu cho thấy mất ổn định trượt ngang của xe thường xảy ra từ tốc độ trên 60 - 80km/h, xe bị trượt trước khi lật và dưới tốc độ này, xe bị lật trước khi trượt [7]. Dưới tác dụng của lực ly tâm khi xe vào đường cong với tốc độ lớn, xe có thể bị trượt ngang và thường diễn ra ở bánh sau của xe. Sự trượt ngang trên mặt đường có thể nguy hiểm khi mặt đường hẹp xe có thể va đập vào ta-luy dương hoặc các chướng ngại vật hai bên đường hoặc rơi xuống vực. Trong trường hợp khác, trong quá trình trượt, bánh xe bị vấp phải các chướng ngại vật cứng tác động vào thân xe hoặc bánh xe (ví dụ gờ chắn bánh, hộ lan có chiều cao thấp) gây mô-men ngẫu lực và lật xe. Vì vậy, mất ổn định do trượt ngang phải được kiểm soát trước với các xe buýt trên các đường có tốc độ cao. Khả năng trượt của xe phụ thuộc vào tốc độ xe chạy trên đường cong, bán kính đường cong nằm, siêu cao, lực ma sát ngang giữa bánh xe với mặt đường, lốp xe và tình trạng sức bám mặt đường (trơn, khô).

Để xác định giới hạn trượt của xe, người ta thường dựa trên bài toán sau đây. Giả sử xe đi vào đường cong có bán kính siêu cao là e. Công thức cơ bản để xác định bán kính đường cong tối thiểu ứng với siêu cao tối đa vẫn được áp dụng quen thuộc như sau:

 

(1)

 

Trong đó:

f_max -  Nhu cầu hệ số lực ma sát ngang lớn nhất cho phép;

E_max - Siêu cao lớn nhất cho phép ứng với tốc độ và bán kính tối thiểu theo quy trình;

v - Tốc độ thiết kế hoặc tốc độ suất V₈₅ khi xe chạy vào đường cong (km/h).

Thường thì trình tự thiết kế đường cong theo TCVN 4054-2005 như sau: Đầu tiên chọn bán kính đường cong dựa vào điều kiện thực tế địa hình và kinh phí, sau đó kiểm tra để chắc chắn bán kính (R) này lớn hơn bán kính nhỏ nhất (R_min ) hay không và cuối cùng thì  căn cứ vào bán kính R để lựa chọn siêu cao theo hướng dẫn quy định. Cách xác định này có hai điểm yếu cơ bản là:

- Xác định bán kính dựa trên mô hình chất điểm mà không xét đến cấu tạo lốp xe, số bánh, hệ giảm xóc của xe. Công thức (1) dùng chung cho cả xe con và xe tải/ xe buýt.

- Thực tế với các xe lớn như xe buýt, người lái xe thường đánh lái ngoặt gấp hơn và đặc biệt với mặt đường hẹp, cua nhiều, do vậy xe thực tế chạy trên đường cong có bán kính nhỏ hơn bán kính thiết kế. Lúc này, nhu cầu lực ma sát ngang cũng tăng cao hơn. Người ta thấy rằng nhu cầu lực ma sát ngang của xe tải/ xe buýt thường lớn hơn vào khoảng 10% so với xe con [7].

Đặc trưng cho khả năng kháng trượt của xe là giới hạn của gia tốc ngang a xác định theo công thức sau α = v²/R tính bằng tỷ phần của gia tốc trọng trường g(10m/s²). Cần nhận thấy rằng khả năng kháng gia tốc ngang α phụ thuộc vào siêu cao, và lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường. Giá trị này lớn nhất vào khoảng 0,3g nếu tính theo TCVN4054-2005 để đảm bảo một chiếc xe chạy với vận tốc thiết kế vào đường cong có bán kính tối thiểu trên mặt đường ướt không bị trượt và có thể coi là giới hạn an toàn chống trượt. Giới hạn an toàn chống trượt là gia tốc ngang lớn nhất một chiếc xe có thể chạy mà không trượt. Nghiên cứu của Olson cho thấy lốp xe buýt có hệ số ma sát chỉ vào khoảng 70% so với các lốp các xe con và xe tải/xe buýt, đòi hỏi có nhu cầu lực ma sát ngang lớn hơn 10% so với xe con [7]. Giới hạn an toàn chống trượt cho phép của xe buýt vì vậy được khuyến cáo khi xe chạy vào đường cong với tốc độ thiết kế trên mặt đường ướt chỉ là (0,15 - 0,22)g mà thôi, nhỏ hơn nhiều so với việc tính theo tiêu chuẩn Việt Nam. Lực ma sát lớn nhất trong điều kiện mặt đường khô khi đo bằng phương pháp khóa cứng bánh xe, theo công bố ở Hoa Kỳ với xe con là 0,6 và lực ma sát ngang lớn nhất sẽ gấp khoảng 1,45 lần [8].

Để minh chứng cho điều này có thể lấy ví dụ một chiếc xe con chạy vào đường cong có bán kính Rmin với tốc độ là 30km/h, siêu cao là 0,04. Theo điều kiện này, để xe con chạy được bán kính Rmin = 32m (làm tròn). Mặc dù giá trị lực ma sát lớn nhất không được khuyến cáo trong TCVN 4054-2005, giá trị này có thể tham khảo AASHTO 2001 là 0,4. Vì vậy, lực ma sát lớn nhất với điều kiện khô ráo sẽ là 0,58. Gia tốc ngang lớn nhất vì vậy sẽ là 0,58g cho phép xe con chạy vào đường cong trên mà không bị trượt khi mặt đường bị ướt. Với cách làm tương tự kết hợp với các phân tích trên, với xe buýt có ngưỡng giới hạn chống trượt là 0,22g và 0,47g tương ứng, lớn hơn giá trị nhu cầu lực ma sát ngang mà xe buýt cần là 0,19g nếu tính theo tốc độ và bán kính đã cho, vì vậy có thể kết luận xe buýt không bị trượt. Có thể phát triển tính toán cho bất cứ bán kính nào nhằm  kiểm tra xem xe buýt có an toàn với điều kiện chống trượt không.

4.2. Cơ chế mất ổn định ngang của xe do lật xe dưới tác dụng của lực ly tâm

Xe buýt chịu điều kiện lực ly tâm lớn nhất khi vào đường cong và khi lực này đủ lớn có thể làm xe lật sang một bên (on-side rollover).

Hình 4.2: Các mô-men gây lật xe và giữ xe [6]

 

Điều kiện bất lợi nhất là khi xe vào các đường cong mất siêu cao sẽ dẫn tới nguy cơ lật xe cao nhất. Phân tích ổn định chống lật của xe con, có thể thấy xe con có ngưỡng ổn định chống lật khá cao, lên tới 1,2g trong khi với xe buýt chỉ vào khoảng 0,35g đến 0,4g. Vì vậy, ổn định chống lật của xe con khi vào đường cong không phải là vấn đề đáng quan tâm. Tuy nhiên, với xe buýt, giá trị về an toàn khi tính toán thông số đường cong là 0,35g và nên là từ 0,18g đến 0,27g, ứng với trường hợp xe chạy chậm hơn tốc độ thiết kế. Giới hạn an toàn chống lật tăng lên khi tốc độ xe tăng trong khi giới hạn an toàn chống trượt ngang lại giảm. Điều này tiềm ẩn nguy cơ lật xe cao.

Xe bắt đầu lật khi một bánh xe nhấc lên khỏi mặt đất và không có phản lực mặt đường tác dụng vào bánh này. Thực tế, nếu lực ly tiếp tục tăng lên (do lái xe không kịp giảm tốc độ), xe bắt đầu lật khi nó quay được quá ¼ vòng theo phương ngang. Ngược lại, bánh xe có thể hạ xuống và tiếp xúc với mặt đất khi xe kịp thời giảm tốc. Để thiên về an toàn, lấy giới hạn khi bánh xe nhấc lên khỏi mặt đất là ngưỡng coi như xe bị mất ổn định lật. Bằng cách tính đơn giản, có thể xác định lại ví dụ trên với xe buýt có kích thước cụ thể như trong Bảng 3.2 có ngưỡng giới hạn an toàn chống lật là 0,18g đủ để xe an toàn với tốc độ thiết kế là 30km/h với bán kính là 30m (giả thiết ngưỡng gia tốc ngang chống  lật là 0,35g). Có thể thiết lập bảng tra cứu ngưỡng ổn định chống lật này cho bất cứ tốc độ nào, bán kính nào theo phương pháp phân tích mô men đơn giản này.

4.3. Vấn đề sau lật và sự cần thiết phải xét đến điều kiện mặt cắt ngang và chướng ngại vật hai bên đường

Sau khi xe lật về một phía, nó có thể tiếp tục trượt ngang và xảy ra các tình huống dưới đây:

Hình 4.3: Các tình huống có thể gây nguy hiểm tiếp theo sau khi lật xe [5]

 

Sự nguy hiểm thực sự là khi xe va đạp mạnh vào ta-luy đường các hình hoặc rơi xuống các vị trí thấp hơn gây hư hỏng xe và thiệt hại về người, vì vậy cần thiết phải phân tích quá trình trượt, lăn tiếp theo của xe cũng như cân nhắc sử dụng hệ chống đỡ mềm, mở rộng nền đường cách xa ta- luy dương để giảm thiệt hại. Thêm nữa, yêu cầu về bộ khung xe và đặc biệt là nóc xe, nơi có thể sập xuống đầu hành khách cần phải được tiếp tục nghiên cứu.

5.  Mở rộng đường trong đường cong nằm cho xe buýt giường nằm

Với chiều dài xe lớn nhất của xe giường nằm hai tầng là 12,80m (xe của THACO), trục cơ sở là 6,00m hoàn toàn có thể xác định được chiều rộng cần thiết phải mở thêm trong đường cong và tại các nút giao thông qua việc vẽ vùng quét của mũi xe và thân xe. Có thể tính với bài toán một xe tránh xe con và hai xe loại này tránh nhau hoặc tránh xe container. Hiện nay, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Xây dựng đang tiến hành xây dựng phần mềm để thực hiện vấn đề này. Chỉ cần nhập vào chiều rộng xe, chiều nhô phía trước và phía sau xe, kết hợp với góc đánh lái lớn nhất do nhà sản xuất cung cấp là có thể dễ dàng thực hiện được vấn đề này. Cũng có thể sử dụng sabon cho trước trong một số tiêu chuẩn. Dưới đây là một ví dụ về bề rộng quét của xe dưới tốc độ thấp (nhỏ hơn 15 km/h) cho xe BUS-12 dựng sẵn trong AASHTO 2011 (tất nhiên chưa thể áp dụng vào xe của Việt Nam).

Hình 5.1: Một mẫu thiết kế mở rộng khi xebuýt BUS-12 quay đầu [5]

 

6. Mặt cắt ngang tối thiểu cho đường khi cho phép xe giường nằm chạy

Với bề rộng xe thiết kế là 2,5m, các nghiên cứu khuyến cáo là bề rộng một làn xe chưa kể mở rộng cho đường 2 làn xe nên là tối thiểu 3,25m [7]. Tùy theo tốc độ có thể lên đến 3,75m. Cần có các nghiên cứu tiếp tục về vấn đề này ở Việt Nam.

7. Độ dốc dọc tối đa và chiều dài dốc tối đa ứng với xe giường nằm

Cũng giống như các xe khác, độ dốc dọc và chiều dài dốc có ảnh hưởng đến sự sụt giảm tốc độ của xe buýt tương đối đáng kể từ các độ dốc từ 6% trở lên. Do đặc điểm nhu cầu lực bám dọc lớn khi xe vận hành dẫn đến có sự suy giảm lực bám ngang khi xe vào các đường cong nằm có bán kính nhỏ ở cuối chân dốc. Với các đường có độ dốc dọc lớn có xe buýt giường nằm vận hành, nhất thiết phải chiết giảm độ dốc dọc trong thiết kế, hoặc tăng thêm độ dốc siêu cao so với quy định nhằm tăng cường ổn định chống lật của xe.

8. Tầm nhìn trong thiết kế đường ứng với xe giường nằm

Do cao độ mắt người lái xe buýt cao hơn so với các xe con, về mặt lý thuyết xe buýt có lợi hơn về tầm nhìn. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là khi xe buýt vượt, gia tốc tăng tốc của xe giảm nhanh tương ứng với vận tốc của xe. Hơn nữa, bản thân chiếc xe cũng dài hơn dẫn đến quá trình vượt xe trên đường hai làn xe diễn ra lâu hơn và tiềm ẩn nguy cơ mất ATGT. Khi thiết kế đường cho đường có xe buýt dạng này vượt, cần thiết phải nắm rõ được đặc tính tăng tốc của xe buýt ở các tốc độ vận hành khác nhau. Do chiều dài xe cũng lớn, do vậy trong mô hình tính phải kể đến chiều dài xe. Người đọc có thể tìm đọc vấn đề này ở một số nghiên cứu của Vũ Hoài Nam và cộng sự.

9. Kết luận

Một số kết luận sau rút ra từ nghiên cứu:

- Xe buýt giường nằm giữ vai trò quan trọng trong đảm bảo cung cấp dịch vụ tiện nghi và thuận tiện cho hành khách ở các vùng xa. Thực tế đã chứng minh hiệu quả trong khai thác của các tuyến xe này. Vì vậy, nghiên cứu để cải thiện độ an toàn của tuyến và của xe cần được thực hiện để nâng cao chất lượng phục vụ của dạng hình này;

- Tai nạn lật xe của loại hình xe buýt có chiều cao lớn HD có xu thế cao hơn các loại buýt thông thường theo các nghiên cứu. Vì vậy, cần thận trọng đánh giá sự ổn định ngang của xe qua các bộ phận đường có đường cong nằm nhỏ, siêu cao thấp, mặt cắt ngang hẹp;

- Vai trò của các hệ thống chống đỡ, chống va đập, chống lật và hành lang an toàn hai bên đường tại các chỗ xe dễ bị lật là quan trọng trong giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.

- Cần tăng số bánh sau của xe buýt giường nằm để tăng khả năng kháng trượt và lật của loại xe này khi đi vào các đường đèo dốc quanh co như thực tế đang khai thác hiện nay ở Việt Nam;

- Cần thiết phải có hệ thống tiêu chuẩn kiểm tra khả năng chống biến dạng của hệ thống vỏ và nóc xe của xe buýt đường dài để đảm bảo giảm số thương vong một khi TNGT xảy ra.

Ghi chú: Các kiến nghị trên đây chỉ thể hiện quan điểm cá nhân, không đại diện cho tổ chức nào

Tài liệu tham khảo

[1]. Đài Tiếng nói Việt Nam, VOV Giao thông.

[2]. Uỷ ban ATGT Quốc Gia.

[3]. Cục Đăng kiểm Việt Nam.

[4]. Nước Cộng hoà XHCN Việt Nam, Đường ô tô - tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 4054-2005.

[5]. Transportation Research Board (2011), The Policies of Highway and Street Geometric Design, AASHTO 2011.

[6]. Matsyas Matolcsy (2003), The severity bus roll-over accidents, Paper number 070989. Proc.of IAT 03 Conference  on Innovative automotive Technology Koper, Slovernia, p.525-533.

[7]. Hardwood Douglas, Torbic Darken (2003), Review of Truck Charecteristics as Factors in Highway Design, NCHRP Report 505.

[8]. Shriniwas S. Arkatkar, V Thamizh Araza (2010), Effects of Gradient and Its Length on Performance of Vehicles under Heterogenous of Traffic Conditions, Journal of Transportation Engineering, ASCE.

 Người phản biện: PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng