地下工程通道转弯特性计算设计

陈 刚，武 帅，左文涛，张海涛

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

地下工程涉及到的转弯部位主要有引水隧洞的主洞和支洞交叉部位、地下电站洞室群交通隧洞转弯部位等。特别是由于地下电站对地形的适应能力比较强，越来越多的水电站采用了地下厂房。地下厂房的建设往往需要配套复杂的地下洞室群，比如引水隧洞、主厂房、主变洞、尾水洞、调压室、通风洞、电缆洞、开关站等。这些洞室依靠交通隧洞进行衔接。地下工程交通隧洞承担着施工期人员、材料、施工机械通行，以及机电设备运输的重要任务，其布置的合理性关乎整个项目建设期施工计划的执行，其关键的转弯部位的布置往往受工程机械、模板台车、设备运输等施工期诸多因素的制约。在设计时应结合承包人施工组织设计，综合考虑后期诸多项制约因素，合理设计通道转弯部位，避免盲目设计、施工造成的反复和工期延误。

1 转弯特性的计算方法

交通隧洞转弯部位的设计，最重要的就是汽车环行内、外半径和通道宽度的计算。在无侧滑的车辆转弯行使过程中，车辆的运动遵循阿克曼转向几何定理，汽车在行使(直线行驶和转弯行驶)过程中，每个车轮的运行轨迹，都必须完全符合它的自然运动轨迹，从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移的现象。汽车在转弯行驶的过程中，全部车轮都必须绕一个瞬时中心点做圆周滚动。中心点位于后轮轴的延长线上，前轮因转向而向内侧运动。垂直于左右前轮平面的轮中轴线也通过转弯中心。

车辆有非铰接汽车和铰接汽车(挂车、半挂车)之分。铰接汽车和非铰接汽车都要遵守阿克曼转向几何定理[1]。非铰接客车的最小转弯半径和通道宽度主要由其前轮最大转向角和轴距确定，通道内侧相对于转弯中心的转弯半径由汽车后轴中心线处的最内点确定。与非铰接汽车不同的是，铰接汽车转弯特性不仅与牵引车的前轮最大转向角、轴距有关，还与挂车的几何特性有关，通道内侧相对于转弯中心的转弯半径由挂车后轴中心线处的最内点确定。

1.1 非铰接汽车转弯特性计算模型

阿克曼定理的基本内容如图1所示，根据阿克曼转向几何定理，可推出式(1)～式(5)[2]。

W=R0-r0

(1)

R0=R+x

(2)

r0=r-y

(3)

(4)

(5)

式中：a为机动车长度，m；b为机动车宽度，m；d为前悬尺寸，m；e为后悬尺寸，m；L为轴距，m；m为后轮距，m；n为前轮距，m；r1为机动车最小转弯半径，m；R0为环形车道外半径，m；r0为环形车道内半径，m；R为机动车环行外半径，m；r为机动车环行内半径，m；W为环形车道最小净宽，m；x，y为机动车环行时最外点至环道外、内边安全距离，m，地下工程要考虑风水管线的布置，可偏大的取为0.5 m。

图1 非铰接汽车阿克曼转向几何定理示意图

1.2 铰接汽车转弯特性计算模型

根据阿克曼转向几何定理，如图2所示，可推出式(6)～式(11)[3]。

图2 铰接汽车阿克曼转向几何定理示意图

(6)

(7)

(8)

(9)

r0=r-y

(10)

W=R0-r0

(11)

式中：P为转弯中心；L1为牵引车轴距，m；b为牵引车前轮距，m；d为牵引车前悬距，m；L2为挂车牵引销至后轴距离，m；α为外转向轮最大转角，(°)；K1为牵引车车宽，m；K2为挂车车宽，m；AB为挂车转轴到拖车后轮中心的距离，m；x为机动车环行时最外点至环道外边安全距离，m;y为机动车环行时最内点至环道内边安全距离，m；其他参数含义同非铰接汽车转弯特性计算模型。

安全距离考虑施工期地下工程风水管线的布置、人行道的布置，可偏大的取为0.5 m，以尽量改善交通条件。另外，机动车最小转弯半径也可以通过汽车参数手册获得。

2 工程实践中的转弯特性计算

在具体的工程实践中，转弯部位转弯特性主要是结合施工期通行的工程机械的最小转弯半径进行计算。工程机械在开挖阶段主要有出渣自卸汽车、装载机；浇筑混凝土衬砌阶段主要有混凝土罐车、模板台车运输车[4]；机电安装阶段主要有运输大件设备的挂车。一般的自卸汽车、装载机、罐车、模板台车运输车均为非铰接汽车。而运输大型机电设备的半挂车则属于铰接汽车。本文选取工程实践中经常用到的工程机械进行转弯特性计算，例如自卸汽车选取时代金刚(BJ3102DEPFA-G1),装载机选取龙工LG843,半挂车选取日野SS633SA半挂车型拖车组[5],混凝土罐车选取三一C系列搅拌SY306C-6(IV)R,以上各种车型参数、转弯特性计算成果见表1。

根据转弯特性的计算方法可知，在其他参数确定的情况下，车辆的实际转弯半径与通道宽度成反比关系，即如果车辆前轮打轮角度偏大时，虽然转弯半径较小，但需要的通道宽度总是过大而显得不合理。故应通过试算确定实际采用的工程机械的转弯半径和通道宽度。由此可知，通道的转弯特性，不仅与平曲线半径有关，还与通道宽度有关，而且两者呈反比关系，即若平曲线半径取较大值，则通道宽度可以取较小值；若平曲线半径取较小值，则通道宽度需要取较大值。

表1 车型参数及转弯特性表 m

注：表中 “车辆转弯半径”一栏，前面一个数字表示工程机械的最小转弯半径，后一个数字表示计算中实际的取值，也即r1的取值

3 转弯部位设计

按照《水工建筑物地下开挖工程施工规范》[6](SL 378—2007)要求，“施工交通支洞应满足运输、支护、各种管线布置及人行安全的要求”“必须斜交时不应小于45°,交叉口应满足运输线路最小转弯半径的要求”。转弯部位有时受支洞口位置、纵坡、地质,以及洞室群布置等条件的限制，某些叉洞之间呈较小的锐角布置，这使得建设阶段的施工条件受到较大限制。

一般情况下，大型引调水工程及地下电站工程交通支洞设计为5 m×5 m成洞断面即可满足单车道运输需要。若无大型机电设备安装需要，一般的引、调水隧洞工程可不考虑铰接型汽车、列车的情况，而仅仅按非铰接汽车进行设计。根据表1，所需的车道宽度>5 m，需要扩大车道宽度才能满足交通需要。一般的，从经济节约方面考虑，将转弯部位做成扩大的“Y”型结构，使之能够满足现场施工车辆的通行需要。譬如某工程主洞二衬前主、支洞洞径均为5 m,其转弯部位局部扩大成6 m,其典型布置如图3所示。

图3 典型转弯部位设计示意图之一(单位mm)

在地下电站等大型地下洞室群，如果有运输机电设备等大件的需要，通常要用到铰接式的汽车、列车。其设计可参照《公路工程技术标准》[7](JTGB 01—2014)的表4.0.17，当不设置圆曲线超高，且路拱≤2.0%时，对应20 km/h的圆曲线最小半径为150 m。一般的水工交通隧洞与公路隧洞有以下两点不同：其一，为了便于控制开挖，极少考虑设置圆曲线超高和路拱(即超高和路拱均可视为0%)；其二，考虑承担大件运输任务的交通隧洞对半挂列车行驶速度没有具体要求。当工程实践中布置150 m圆曲线半径较为困难时，应根据实际情况设置尽可能大的圆曲线半径，并结合本文所述计算方法，实际验算其通过能力。例如某施工交通隧洞圆曲线半径最大只能取为30 m，若将半挂车列车自身的转弯半径也偏安全的取为30 m，则实际需要的通道宽度为6.35 m。若水工交通隧洞转弯部位的车道宽度小于此值，可将其局部扩大为6.50 m,以满足计算要求。其布置如图4所示。

图4 典型转弯部位设计示意图之二(单位mm)

4 结 论

在实际设计通道转弯部位时，如果错误的采用车辆自身的最小转弯半径或者不考虑通道宽度对转弯部位通过性能的影响，通常设计出的转弯部位偏小，不能满足交通需求。如果不能在开挖支护以前及时修正，就会造成施工过程的反复，不仅浪费投资，更是耽误宝贵的工期。因此，必须重视地下工程的转弯部位设计，确保满足施工期交通运输的需要。