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摘 要：新建川藏铁路根据工程需要，多个隧道需采用10 m级TBM设备进行施工。受制于西藏当地既有交通路网密度低、公路等级低等条件，需对现有交通网进行升级改造方能满足TBM运输需求。本文基于机动车转弯设计软件AutoTurn，对10 m级TBM最宽、最重构件的特种运输进行了最小转弯半径、道路宽度及限界的理论计算及仿真，为川藏铁路TBM运输道路的升级改造提供设计依据。
关键词：TBM运输;AutoTurn;转弯半径;道路宽度;限界
0 前言
根据《川藏铁路施工道路和施工供电工程勘察设计暂行规定》（Q/CR 9153-2019）[1]（以下简称暂规）中TBM运输通道有关规定：①平原微丘TBM运输通道一般计算行车速度采用30 km/h、20 km/h或15 km/h，山岭重丘TBM运输通道一般计算行车速度采用20 km/h或15 km/h，高山峡谷TBM运输通道一般计算行车速度采用15 km/h;②TBM运输通道路基宽度为7.5 m，困难条件或利用既有道路时，TBM运输通道在满足限界要求的情况下可适当减小路基宽度;③有特殊车辆通行的施工道路应根据特殊车辆验算确定其加宽值;④TBM运输通道的圆曲线最小半径极限值应不小于15 m。以上规定对TBM运输通道的设计提供了一定参考，但是部分规定尚不够明确。本文根据川藏铁路相关暂行规定，选用30 km/h，20 km/h及15 km/h作为TBM运输车辆一般计算行车速度，分别对不同行车速度下TBM运输车辆的最小转弯半径及道路宽度进行理论计算及仿真。
1 TBM运输车辆最小转弯半径及道路宽度理论分析[2-3]
假设TBM运输车辆处于稳态转弯行驶过程，如图1所示，α为牵引车前外轮最大偏转角，O点为牵引车转动瞬时中心，A点为牵引车前轴中心，B点为牵引车与半挂车铰接点。
由图中几何关系可知，牵引车前外轮最小转弯半径R仅取决于AB长度（即牵引车轴距）和前外轮最大偏转角α，计算公式为：
从O点到牵引车前右轮行驶轨迹线垂点F为O点到TBM运输车辆最远距离，W1为牵引车宽度，则：
从O点做BC的垂线，垂足为D，则：
OD與车身的交点为E，W2为半挂车宽度，则：
OE可看作O点到半挂车的最短距离，则TBM运输车辆占用的整个道路宽度为：
2 TBM运输车辆最小转弯半径、道路宽度、限界理论计算及仿真分析
2.1 AutoTurn仿真模型构建
目前，川藏铁路使用的10 m级TBM设备按普通构件和特种构件分别运输，普通构件采用普通铰接列车即可运输，最宽、最重的特种构件需采用牵引车+液压轴线挂车的方式运输。TBM最宽、最重构件（主驱动壳体+内部轴承）外形尺寸为Ф7 202（宽）×1 424 mm（高），考虑到预留安全距离，仿真分析宽度采用7 300 mm，最宽、最重件运输示意图如下：
根据TBM最宽、最重构件运输示意图，构建相应AutoTurn运输模型如下：
2.2 最小转弯半径理论计算及仿真分析
根据第二节有关结论，TBM运输车辆最小转弯半径R仅跟牵引车轴距AB及前外轮最大偏转角α有关。根据2.1仿真模型可知，牵引车轴距AB=4.55 m，前外轮最大偏转角α根据资料取40°，计算得出TBM运输车辆最小转弯半径R≈7.08 m，与AutoTurn计算结果相符合，如下图。
但此最小转弯半径未考虑行车速度的影响，实际情况中，随着行车速度的增加，考虑到驾驶员反应速度及行车安全等因素，前外轮偏转角α及铰接角β无法达到理论值，不同行车速度下α及β实际角度可通过AutoTurn猎寻[4]。本文选取行车速度为15 km/h、20 km/h、30 km/h，转弯角度为180°，如图7，通过AutoTurn猎寻不同行车速度下α及β实际角度，如图8。
根据第二节有关结论，计算得出不同行车速度下TBM运输车辆最小转弯半径R[5]，如表1。
注：当地形地势特别困难，按计算行车速度15 km/h检算的圆曲线最小半径仍无法满足要求时，可采用10 m，但应通过限速、增加交安设施和加强管理等措施保证行车安全。
通过最小转弯半径理论计算分析可知，《暂规》中圆曲线最小半径的相关规定满足TBM运输车辆最小转弯半径的需求。
2.3 道路宽度理论计算及仿真分析
根据《暂规》3.2.12有关规定，圆曲线小于或等于250 m时，路面应设置加宽。圆曲线加宽值应符合下表的规定：
注：双车道路段应按不通行交接列车加宽值的2倍进行加宽。
新建TBM运输通道为双车道，路基宽度采用7.5 m。本文选用30 km/h，20 km/h及15 km/h作为TBM运输车辆一般计算行车速度，根据第二节相关内容计算得到不同行车速度下不同转弯半径所占用路面宽度，并与设计路面宽度进行对比分析。
根据计算路面值与设计路面值的对比分析可知，根据《暂规》设计的TBM运输通道完全可满足TBM运输路面宽度需求。
2.4 运输限界仿真分析
2.3节计算分析所得路面宽度，仅为TBM运输车辆车轮轨迹线所占用道路宽度，适用于平坦开阔无遮挡路段。全路堑或半路堑等情况路段，TBM特种构件运输必须满足横向限界的要求。根据运输车辆和TBM设备的主要参数，新建TBM运输通道路基宽度要求7.5 m实际上是为满足10 m级TBM运输所需的净宽要求，在曲线地段其横向限界还需根据运输轨迹进行增加。
本文选用一般行车速度为15 km/h，半径R=15 m、R=25 m和R=50 m三种情况，利用Autoturn仿真模拟TBM最宽、最重构件运输实际运行轨迹[6]。
经仿真测算，当15 m50 m时，可采用R=50 m运输限界，横向净宽不小于9.4 m。
3 结论及展望
本文对川藏铁路施工所用10 m级TBM特种构件运输过程中最小转弯半径、道路宽度及限界进行了理论计算分析及仿真。根据《暂规》进行设计的TBM运输通道完全满足10 m级TBM特种构件的运输需求，计算仿真所得实际占用路面宽度及所需限界可为困难条件或既有路改建等情况下道路设计提供依据。
本文仅从二维平面角度对TBM运输过程进行了仿真研究，进一步研究应综合考虑运输车辆动力特性、轴线挂车车轮转向性等因素。
参考文献：
[1]Q/C 9153-2019，川藏铁路施工道路和施工供电工程勘察设计暂行规定[S].2019.
[2]郭迎福，刘亦，刘厚才，等.风机叶片山地运输车辆转弯半径与道路占用分析[J].公路与汽运，2013（4）：11-14.
[3]赵一鸣.山地风电场场内道路圆曲线半径和路基宽度设计指标研究[J].公路工程，2018，43（2）：124-128.
[4]郑利，白子建，赵巍.Autoturn在工程中的应用[J].科技资讯，2012（20）：64.
[5]辛玉华，孙小端.基于AUTOTURN的公路设计车辆最小转弯路径研究[J].黑龙江交通科技，2016，39（12）：1-2.
[6]任腊春，许海楠，柴亮.AutoTURN在西南山地风电场道路设计中的应用[J].水电站设计，2019，35（4）：23-25.
关键词：TBM运输;AutoTurn;转弯半径;道路宽度;限界
0 前言
根据《川藏铁路施工道路和施工供电工程勘察设计暂行规定》（Q/CR 9153-2019）[1]（以下简称暂规）中TBM运输通道有关规定：①平原微丘TBM运输通道一般计算行车速度采用30 km/h、20 km/h或15 km/h，山岭重丘TBM运输通道一般计算行车速度采用20 km/h或15 km/h，高山峡谷TBM运输通道一般计算行车速度采用15 km/h;②TBM运输通道路基宽度为7.5 m，困难条件或利用既有道路时，TBM运输通道在满足限界要求的情况下可适当减小路基宽度;③有特殊车辆通行的施工道路应根据特殊车辆验算确定其加宽值;④TBM运输通道的圆曲线最小半径极限值应不小于15 m。以上规定对TBM运输通道的设计提供了一定参考，但是部分规定尚不够明确。本文根据川藏铁路相关暂行规定，选用30 km/h，20 km/h及15 km/h作为TBM运输车辆一般计算行车速度，分别对不同行车速度下TBM运输车辆的最小转弯半径及道路宽度进行理论计算及仿真。
1 TBM运输车辆最小转弯半径及道路宽度理论分析[2-3]
假设TBM运输车辆处于稳态转弯行驶过程，如图1所示，α为牵引车前外轮最大偏转角，O点为牵引车转动瞬时中心，A点为牵引车前轴中心，B点为牵引车与半挂车铰接点。
由图中几何关系可知，牵引车前外轮最小转弯半径R仅取决于AB长度（即牵引车轴距）和前外轮最大偏转角α，计算公式为：
从O点到牵引车前右轮行驶轨迹线垂点F为O点到TBM运输车辆最远距离，W1为牵引车宽度，则：
从O点做BC的垂线，垂足为D，则：
OD與车身的交点为E，W2为半挂车宽度，则：
OE可看作O点到半挂车的最短距离，则TBM运输车辆占用的整个道路宽度为：
2 TBM运输车辆最小转弯半径、道路宽度、限界理论计算及仿真分析
2.1 AutoTurn仿真模型构建
目前，川藏铁路使用的10 m级TBM设备按普通构件和特种构件分别运输，普通构件采用普通铰接列车即可运输，最宽、最重的特种构件需采用牵引车+液压轴线挂车的方式运输。TBM最宽、最重构件（主驱动壳体+内部轴承）外形尺寸为Ф7 202（宽）×1 424 mm（高），考虑到预留安全距离，仿真分析宽度采用7 300 mm，最宽、最重件运输示意图如下：
根据TBM最宽、最重构件运输示意图，构建相应AutoTurn运输模型如下：
2.2 最小转弯半径理论计算及仿真分析
根据第二节有关结论，TBM运输车辆最小转弯半径R仅跟牵引车轴距AB及前外轮最大偏转角α有关。根据2.1仿真模型可知，牵引车轴距AB=4.55 m，前外轮最大偏转角α根据资料取40°，计算得出TBM运输车辆最小转弯半径R≈7.08 m，与AutoTurn计算结果相符合，如下图。
但此最小转弯半径未考虑行车速度的影响，实际情况中，随着行车速度的增加，考虑到驾驶员反应速度及行车安全等因素，前外轮偏转角α及铰接角β无法达到理论值，不同行车速度下α及β实际角度可通过AutoTurn猎寻[4]。本文选取行车速度为15 km/h、20 km/h、30 km/h，转弯角度为180°，如图7，通过AutoTurn猎寻不同行车速度下α及β实际角度，如图8。
根据第二节有关结论，计算得出不同行车速度下TBM运输车辆最小转弯半径R[5]，如表1。
注：当地形地势特别困难，按计算行车速度15 km/h检算的圆曲线最小半径仍无法满足要求时，可采用10 m，但应通过限速、增加交安设施和加强管理等措施保证行车安全。
通过最小转弯半径理论计算分析可知，《暂规》中圆曲线最小半径的相关规定满足TBM运输车辆最小转弯半径的需求。
2.3 道路宽度理论计算及仿真分析
根据《暂规》3.2.12有关规定，圆曲线小于或等于250 m时，路面应设置加宽。圆曲线加宽值应符合下表的规定：
注：双车道路段应按不通行交接列车加宽值的2倍进行加宽。
新建TBM运输通道为双车道，路基宽度采用7.5 m。本文选用30 km/h，20 km/h及15 km/h作为TBM运输车辆一般计算行车速度，根据第二节相关内容计算得到不同行车速度下不同转弯半径所占用路面宽度，并与设计路面宽度进行对比分析。
根据计算路面值与设计路面值的对比分析可知，根据《暂规》设计的TBM运输通道完全可满足TBM运输路面宽度需求。
2.4 运输限界仿真分析
2.3节计算分析所得路面宽度，仅为TBM运输车辆车轮轨迹线所占用道路宽度，适用于平坦开阔无遮挡路段。全路堑或半路堑等情况路段，TBM特种构件运输必须满足横向限界的要求。根据运输车辆和TBM设备的主要参数，新建TBM运输通道路基宽度要求7.5 m实际上是为满足10 m级TBM运输所需的净宽要求，在曲线地段其横向限界还需根据运输轨迹进行增加。
本文选用一般行车速度为15 km/h，半径R=15 m、R=25 m和R=50 m三种情况，利用Autoturn仿真模拟TBM最宽、最重构件运输实际运行轨迹[6]。
经仿真测算，当15 m
3 结论及展望
本文对川藏铁路施工所用10 m级TBM特种构件运输过程中最小转弯半径、道路宽度及限界进行了理论计算分析及仿真。根据《暂规》进行设计的TBM运输通道完全满足10 m级TBM特种构件的运输需求，计算仿真所得实际占用路面宽度及所需限界可为困难条件或既有路改建等情况下道路设计提供依据。
本文仅从二维平面角度对TBM运输过程进行了仿真研究，进一步研究应综合考虑运输车辆动力特性、轴线挂车车轮转向性等因素。
参考文献：
[1]Q/C 9153-2019，川藏铁路施工道路和施工供电工程勘察设计暂行规定[S].2019.
[2]郭迎福，刘亦，刘厚才，等.风机叶片山地运输车辆转弯半径与道路占用分析[J].公路与汽运，2013（4）：11-14.
[3]赵一鸣.山地风电场场内道路圆曲线半径和路基宽度设计指标研究[J].公路工程，2018，43（2）：124-128.
[4]郑利，白子建，赵巍.Autoturn在工程中的应用[J].科技资讯，2012（20）：64.
[5]辛玉华，孙小端.基于AUTOTURN的公路设计车辆最小转弯路径研究[J].黑龙江交通科技，2016，39（12）：1-2.
[6]任腊春，许海楠，柴亮.AutoTURN在西南山地风电场道路设计中的应用[J].水电站设计，2019，35（4）：23-25.