新建川藏鐵路TBM運輸車輛限界指標研究

張博

摘 要：新建川藏鐵路根據(jù)工程需要，多個隧道需采用10 m級TBM設備進行施工。受制于西藏當?shù)丶扔薪煌肪W(wǎng)密度低、公路等級低等條件，需對現(xiàn)有交通網(wǎng)進行升級改造方能滿足TBM運輸需求。本文基于機動車轉(zhuǎn)彎設計軟件AutoTurn，對10 m級TBM最寬、最重構(gòu)件的特種運輸進行了最小轉(zhuǎn)彎半徑、道路寬度及限界的理論計算及仿真，為川藏鐵路TBM運輸?shù)缆返纳壐脑焯峁┰O計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：TBM運輸;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計暫行規(guī)定》（Q/CR 9153-2019）[1]（以下簡稱暫規(guī)）中TBM運輸通道有關(guān)規(guī)定：①平原微丘TBM運輸通道一般計算行車速度采用30 km/h、20 km/h或15 km/h，山嶺重丘TBM運輸通道一般計算行車速度采用20 km/h或15 km/h，高山峽谷TBM運輸通道一般計算行車速度采用15 km/h;②TBM運輸通道路基寬度為7.5 m，困難條件或利用既有道路時，TBM運輸通道在滿足限界要求的情況下可適當減小路基寬度;③有特殊車輛通行的施工道路應根據(jù)特殊車輛驗算確定其加寬值;④TBM運輸通道的圓曲線最小半徑極限值應不小于15 m。以上規(guī)定對TBM運輸通道的設計提供了一定參考，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運輸車輛一般計算行車速度，分別對不同行車速度下TBM運輸車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑及道路寬度進行理論計算及仿真。

1 TBM運輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑及道路寬度理論分析[2-3]

假設TBM運輸車輛處于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎行駛過程，如圖1所示，α為牽引車前外輪最大偏轉(zhuǎn)角，O點為牽引車轉(zhuǎn)動瞬時中心，A點為牽引車前軸中心，B點為牽引車與半掛車鉸接點。

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長度（即牽引車軸距）和前外輪最大偏轉(zhuǎn)角α，計算公式為：

從O點到牽引車前右輪行駛軌跡線垂點F為O點到TBM運輸車輛最遠距離，W1為牽引車寬度，則：

從O點做BC的垂線，垂足為D，則：

OD與車身的交點為E，W2為半掛車寬度，則：

OE可看作O點到半掛車的最短距離，則TBM運輸車輛占用的整個道路寬度為：

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

2.1 AutoTurn仿真模型構(gòu)建

目前，川藏鐵路使用的10 m級TBM設備按普通構(gòu)件和特種構(gòu)件分別運輸，普通構(gòu)件采用普通鉸接列車即可運輸，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輸。TBM最寬、最重構(gòu)件（主驅(qū)動殼體+內(nèi)部軸承）外形尺寸為Ф7 202（寬）×1 424 mm（高），考慮到預留安全距離，仿真分析寬度采用7 300 mm，最寬、最重件運輸示意圖如下：

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

2.2 最小轉(zhuǎn)彎半徑理論計算及仿真分析

根據(jù)第二節(jié)有關(guān)結(jié)論，TBM運輸車輛最小轉(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°，計算得出TBM運輸車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑R≈7.08 m，與AutoTurn計算結(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，實際情況中，隨著行車速度的增加，考慮到駕駛員反應速度及行車安全等因素，前外輪偏轉(zhuǎn)角α及鉸接角β無法達到理論值，不同行車速度下α及β實際角度可通過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AutoTurn獵尋不同行車速度下α及β實際角度，如圖8。

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

注：當?shù)匦蔚貏萏貏e困難，按計算行車速度15 km/h檢算的圓曲線最小半徑仍無法滿足要求時，可采用10 m，但應通過限速、增加交安設施和加強管理等措施保證行車安全。

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

2.3 道路寬度理論計算及仿真分析

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，路面應設置加寬。圓曲線加寬值應符合下表的規(guī)定：

注：雙車道路段應按不通行交接列車加寬值的2倍進行加寬。

新建TBM運輸通道為雙車道，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運輸車輛一般計算行車速度，根據(jù)第二節(jié)相關(guān)內(nèi)容計算得到不同行車速度下不同轉(zhuǎn)彎半徑所占用路面寬度，并與設計路面寬度進行對比分析。

根據(jù)計算路面值與設計路面值的對比分析可知，根據(jù)《暫規(guī)》設計的TBM運輸通道完全可滿足TBM運輸路面寬度需求。

2.4 運輸限界仿真分析

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

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)件運輸實際運行軌跡[6]。

經(jīng)仿真測算，當15 m50 m時，可采用R=50 m運輸限界，橫向凈寬不小于9.4 m。

3 結(jié)論及展望

本文對川藏鐵路施工所用10 m級TBM特種構(gòu)件運輸過程中最小轉(zhuǎn)彎半徑、道路寬度及限界進行了理論計算分析及仿真。根據(jù)《暫規(guī)》進行設計的TBM運輸通道完全滿足10 m級TBM特種構(gòu)件的運輸需求，計算仿真所得實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計提供依據(jù)。

本文僅從二維平面角度對TBM運輸過程進行了仿真研究，進一步研究應綜合考慮運輸車輛動力特性、軸線掛車車輪轉(zhuǎn)向性等因素。

參考文獻：

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

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

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

[5]辛玉華，孫小端.基于AUTOTURN的公路設計車輛最小轉(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在西南山地風電場道路設計中的應用[J].水電站設計，2019，35（4）：23-25.