新建川藏鐵路TBM運(yùn)輸車輛限界指標(biāo)研究

張博

摘 要：新建川藏鐵路根據(jù)工程需要，多個(gè)隧道需采用10 m級(jí)TBM設(shè)備進(jìn)行施工。受制于西藏當(dāng)?shù)丶扔薪煌肪W(wǎng)密度低、公路等級(jí)低等條件，需對(duì)現(xiàn)有交通網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造方能滿足TBM運(yùn)輸需求。本文基于機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)軟件AutoTurn，對(duì)10 m級(jí)TBM最寬、最重構(gòu)件的特種運(yùn)輸進(jìn)行了最小轉(zhuǎn)彎半徑、道路寬度及限界的理論計(jì)算及仿真，為川藏鐵路TBM運(yùn)輸?shù)缆返纳?jí)改造提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：TBM運(yùn)輸;AutoTurn;轉(zhuǎn)彎半徑;道路寬度;限界

0 前言

根據(jù)《川藏鐵路施工道路和施工供電工程勘察設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（Q/CR 9153-2019）[1]（以下簡(jiǎn)稱暫規(guī)）中TBM運(yùn)輸通道有關(guān)規(guī)定：①平原微丘TBM運(yùn)輸通道一般計(jì)算行車速度采用30 km/h、20 km/h或15 km/h，山嶺重丘TBM運(yùn)輸通道一般計(jì)算行車速度采用20 km/h或15 km/h，高山峽谷TBM運(yùn)輸通道一般計(jì)算行車速度采用15 km/h;②TBM運(yùn)輸通道路基寬度為7.5 m，困難條件或利用既有道路時(shí)，TBM運(yùn)輸通道在滿足限界要求的情況下可適當(dāng)減小路基寬度;③有特殊車輛通行的施工道路應(yīng)根據(jù)特殊車輛驗(yàn)算確定其加寬值;④TBM運(yùn)輸通道的圓曲線最小半徑極限值應(yīng)不小于15 m。以上規(guī)定對(duì)TBM運(yùn)輸通道的設(shè)計(jì)提供了一定參考，但是部分規(guī)定尚不夠明確。本文根據(jù)川藏鐵路相關(guān)暫行規(guī)定，選用30 km/h，20 km/h及15 km/h作為TBM運(yùn)輸車輛一般計(jì)算行車速度，分別對(duì)不同行車速度下TBM運(yùn)輸車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑及道路寬度進(jìn)行理論計(jì)算及仿真。

1 TBM運(yùn)輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑及道路寬度理論分析[2-3]

假設(shè)TBM運(yùn)輸車輛處于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎行駛過(guò)程，如圖1所示，α為牽引車前外輪最大偏轉(zhuǎn)角，O點(diǎn)為牽引車轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)中心，A點(diǎn)為牽引車前軸中心，B點(diǎn)為牽引車與半掛車鉸接點(diǎn)。

由圖中幾何關(guān)系可知，牽引車前外輪最小轉(zhuǎn)彎半徑R僅取決于AB長(zhǎng)度（即牽引車軸距）和前外輪最大偏轉(zhuǎn)角α，計(jì)算公式為：

從O點(diǎn)到牽引車前右輪行駛軌跡線垂點(diǎn)F為O點(diǎn)到TBM運(yùn)輸車輛最遠(yuǎn)距離，W1為牽引車寬度，則：

從O點(diǎn)做BC的垂線，垂足為D，則：

OD與車身的交點(diǎn)為E，W2為半掛車寬度，則：

OE可看作O點(diǎn)到半掛車的最短距離，則TBM運(yùn)輸車輛占用的整個(gè)道路寬度為：

2 TBM運(yùn)輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑、道路寬度、限界理論計(jì)算及仿真分析

2.1 AutoTurn仿真模型構(gòu)建

目前，川藏鐵路使用的10 m級(jí)TBM設(shè)備按普通構(gòu)件和特種構(gòu)件分別運(yùn)輸，普通構(gòu)件采用普通鉸接列車即可運(yùn)輸，最寬、最重的特種構(gòu)件需采用牽引車+液壓軸線掛車的方式運(yùn)輸。TBM最寬、最重構(gòu)件（主驅(qū)動(dòng)殼體+內(nèi)部軸承）外形尺寸為Ф7 202（寬）×1 424 mm（高），考慮到預(yù)留安全距離，仿真分析寬度采用7 300 mm，最寬、最重件運(yùn)輸示意圖如下：

根據(jù)TBM最寬、最重構(gòu)件運(yùn)輸示意圖，構(gòu)建相應(yīng)AutoTurn運(yùn)輸模型如下：

2.2 最小轉(zhuǎn)彎半徑理論計(jì)算及仿真分析

根據(jù)第二節(jié)有關(guān)結(jié)論，TBM運(yùn)輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑R僅跟牽引車軸距AB及前外輪最大偏轉(zhuǎn)角α有關(guān)。根據(jù)2.1仿真模型可知，牽引車軸距AB=4.55 m，前外輪最大偏轉(zhuǎn)角α根據(jù)資料取40°，計(jì)算得出TBM運(yùn)輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑R≈7.08 m，與AutoTurn計(jì)算結(jié)果相符合，如下圖。

但此最小轉(zhuǎn)彎半徑未考慮行車速度的影響，實(shí)際情況中，隨著行車速度的增加，考慮到駕駛員反應(yīng)速度及行車安全等因素，前外輪偏轉(zhuǎn)角α及鉸接角β無(wú)法達(dá)到理論值，不同行車速度下α及β實(shí)際角度可通過(guò)AutoTurn獵尋[4]。本文選取行車速度為15 km/h、20 km/h、30 km/h，轉(zhuǎn)彎角度為180°，如圖7，通過(guò)AutoTurn獵尋不同行車速度下α及β實(shí)際角度，如圖8。

根據(jù)第二節(jié)有關(guān)結(jié)論，計(jì)算得出不同行車速度下TBM運(yùn)輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑R[5]，如表1。

注：當(dāng)?shù)匦蔚貏?shì)特別困難，按計(jì)算行車速度15 km/h檢算的圓曲線最小半徑仍無(wú)法滿足要求時(shí)，可采用10 m，但應(yīng)通過(guò)限速、增加交安設(shè)施和加強(qiáng)管理等措施保證行車安全。

通過(guò)最小轉(zhuǎn)彎半徑理論計(jì)算分析可知，《暫規(guī)》中圓曲線最小半徑的相關(guān)規(guī)定滿足TBM運(yùn)輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑的需求。

2.3 道路寬度理論計(jì)算及仿真分析

根據(jù)《暫規(guī)》3.2.12有關(guān)規(guī)定，圓曲線小于或等于250 m時(shí)，路面應(yīng)設(shè)置加寬。圓曲線加寬值應(yīng)符合下表的規(guī)定：

注：雙車道路段應(yīng)按不通行交接列車加寬值的2倍進(jìn)行加寬。

新建TBM運(yùn)輸通道為雙車道，路基寬度采用7.5 m。本文選用30 km/h，20 km/h及15 km/h作為TBM運(yùn)輸車輛一般計(jì)算行車速度，根據(jù)第二節(jié)相關(guān)內(nèi)容計(jì)算得到不同行車速度下不同轉(zhuǎn)彎半徑所占用路面寬度，并與設(shè)計(jì)路面寬度進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)計(jì)算路面值與設(shè)計(jì)路面值的對(duì)比分析可知，根據(jù)《暫規(guī)》設(shè)計(jì)的TBM運(yùn)輸通道完全可滿足TBM運(yùn)輸路面寬度需求。

2.4 運(yùn)輸限界仿真分析

2.3節(jié)計(jì)算分析所得路面寬度，僅為TBM運(yùn)輸車輛車輪軌跡線所占用道路寬度，適用于平坦開闊無(wú)遮擋路段。全路塹或半路塹等情況路段，TBM特種構(gòu)件運(yùn)輸必須滿足橫向限界的要求。根據(jù)運(yùn)輸車輛和TBM設(shè)備的主要參數(shù)，新建TBM運(yùn)輸通道路基寬度要求7.5 m實(shí)際上是為滿足10 m級(jí)TBM運(yùn)輸所需的凈寬要求，在曲線地段其橫向限界還需根據(jù)運(yùn)輸軌跡進(jìn)行增加。

本文選用一般行車速度為15 km/h，半徑R=15 m、R=25 m和R=50 m三種情況，利用Autoturn仿真模擬TBM最寬、最重構(gòu)件運(yùn)輸實(shí)際運(yùn)行軌跡[6]。

經(jīng)仿真測(cè)算，當(dāng)15 m50 m時(shí)，可采用R=50 m運(yùn)輸限界，橫向凈寬不小于9.4 m。

3 結(jié)論及展望

本文對(duì)川藏鐵路施工所用10 m級(jí)TBM特種構(gòu)件運(yùn)輸過(guò)程中最小轉(zhuǎn)彎半徑、道路寬度及限界進(jìn)行了理論計(jì)算分析及仿真。根據(jù)《暫規(guī)》進(jìn)行設(shè)計(jì)的TBM運(yùn)輸通道完全滿足10 m級(jí)TBM特種構(gòu)件的運(yùn)輸需求，計(jì)算仿真所得實(shí)際占用路面寬度及所需限界可為困難條件或既有路改建等情況下道路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文僅從二維平面角度對(duì)TBM運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，進(jìn)一步研究應(yīng)綜合考慮運(yùn)輸車輛動(dòng)力特性、軸線掛車車輪轉(zhuǎn)向性等因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]Q/C 9153-2019，川藏鐵路施工道路和施工供電工程勘察設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].2019.

[2]郭迎福，劉亦，劉厚才，等.風(fēng)機(jī)葉片山地運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)彎半徑與道路占用分析[J].公路與汽運(yùn)，2013（4）：11-14.

[3]趙一鳴.山地風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路圓曲線半徑和路基寬度設(shè)計(jì)指標(biāo)研究[J].公路工程，2018，43（2）：124-128.

[4]鄭利，白子建，趙巍.Autoturn在工程中的應(yīng)用[J].科技資訊，2012（20）：64.

[5]辛玉華，孫小端.基于AUTOTURN的公路設(shè)計(jì)車輛最小轉(zhuǎn)彎路徑研究[J].黑龍江交通科技，2016，39（12）：1-2.

[6]任臘春，許海楠，柴亮.AutoTURN在西南山地風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水電站設(shè)計(jì)，2019，35（4）：23-25.