陳 剛,武 帥,左文濤,張海濤
(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)
地下工程涉及到的轉(zhuǎn)彎部位主要有引水隧洞的主洞和支洞交叉部位、地下電站洞室群交通隧洞轉(zhuǎn)彎部位等。特別是由于地下電站對地形的適應(yīng)能力比較強(qiáng),越來越多的水電站采用了地下廠房。地下廠房的建設(shè)往往需要配套復(fù)雜的地下洞室群,比如引水隧洞、主廠房、主變洞、尾水洞、調(diào)壓室、通風(fēng)洞、電纜洞、開關(guān)站等。這些洞室依靠交通隧洞進(jìn)行銜接。地下工程交通隧洞承擔(dān)著施工期人員、材料、施工機(jī)械通行,以及機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù),其布置的合理性關(guān)乎整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)期施工計(jì)劃的執(zhí)行,其關(guān)鍵的轉(zhuǎn)彎部位的布置往往受工程機(jī)械、模板臺(tái)車、設(shè)備運(yùn)輸?shù)仁┕て谥T多因素的制約。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合承包人施工組織設(shè)計(jì),綜合考慮后期諸多項(xiàng)制約因素,合理設(shè)計(jì)通道轉(zhuǎn)彎部位,避免盲目設(shè)計(jì)、施工造成的反復(fù)和工期延誤。
交通隧洞轉(zhuǎn)彎部位的設(shè)計(jì),最重要的就是汽車環(huán)行內(nèi)、外半徑和通道寬度的計(jì)算。在無側(cè)滑的車輛轉(zhuǎn)彎行使過程中,車輛的運(yùn)動(dòng)遵循阿克曼轉(zhuǎn)向幾何定理,汽車在行使(直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛)過程中,每個(gè)車輪的運(yùn)行軌跡,都必須完全符合它的自然運(yùn)動(dòng)軌跡,從而保證輪胎與地面間處于純滾動(dòng)而無滑移的現(xiàn)象。汽車在轉(zhuǎn)彎行駛的過程中,全部車輪都必須繞一個(gè)瞬時(shí)中心點(diǎn)做圓周滾動(dòng)。中心點(diǎn)位于后輪軸的延長線上,前輪因轉(zhuǎn)向而向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。垂直于左右前輪平面的輪中軸線也通過轉(zhuǎn)彎中心。
車輛有非鉸接汽車和鉸接汽車(掛車、半掛車)之分。鉸接汽車和非鉸接汽車都要遵守阿克曼轉(zhuǎn)向幾何定理[1]。非鉸接客車的最小轉(zhuǎn)彎半徑和通道寬度主要由其前輪最大轉(zhuǎn)向角和軸距確定,通道內(nèi)側(cè)相對于轉(zhuǎn)彎中心的轉(zhuǎn)彎半徑由汽車后軸中心線處的最內(nèi)點(diǎn)確定。與非鉸接汽車不同的是,鉸接汽車轉(zhuǎn)彎特性不僅與牽引車的前輪最大轉(zhuǎn)向角、軸距有關(guān),還與掛車的幾何特性有關(guān),通道內(nèi)側(cè)相對于轉(zhuǎn)彎中心的轉(zhuǎn)彎半徑由掛車后軸中心線處的最內(nèi)點(diǎn)確定。
阿克曼定理的基本內(nèi)容如圖1所示,根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何定理,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為機(jī)動(dòng)車長度,m;b為機(jī)動(dòng)車寬度,m;d為前懸尺寸,m;e為后懸尺寸,m;L為軸距,m;m為后輪距,m;n為前輪距,m;r1為機(jī)動(dòng)車最小轉(zhuǎn)彎半徑,m;R0為環(huán)形車道外半徑,m;r0為環(huán)形車道內(nèi)半徑,m;R為機(jī)動(dòng)車環(huán)行外半徑,m;r為機(jī)動(dòng)車環(huán)行內(nèi)半徑,m;W為環(huán)形車道最小凈寬,m;x,y為機(jī)動(dòng)車環(huán)行時(shí)最外點(diǎn)至環(huán)道外、內(nèi)邊安全距離,m,地下工程要考慮風(fēng)水管線的布置,可偏大的取為0.5 m。
圖1 非鉸接汽車阿克曼轉(zhuǎn)向幾何定理示意圖
根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何定理,如圖2所示,可推出式(6)~式(11)[3]。
圖2 鉸接汽車阿克曼轉(zhuǎn)向幾何定理示意圖
(6)
(7)
(8)
(9)
r0=r-y
(10)
W=R0-r0
(11)
式中:P為轉(zhuǎn)彎中心;L1為牽引車軸距,m;b為牽引車前輪距,m;d為牽引車前懸距,m;L2為掛車牽引銷至后軸距離,m;α為外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角,(°);K1為牽引車車寬,m;K2為掛車車寬,m;AB為掛車轉(zhuǎn)軸到拖車后輪中心的距離,m;x為機(jī)動(dòng)車環(huán)行時(shí)最外點(diǎn)至環(huán)道外邊安全距離,m;y為機(jī)動(dòng)車環(huán)行時(shí)最內(nèi)點(diǎn)至環(huán)道內(nèi)邊安全距離,m;其他參數(shù)含義同非鉸接汽車轉(zhuǎn)彎特性計(jì)算模型。
安全距離考慮施工期地下工程風(fēng)水管線的布置、人行道的布置,可偏大的取為0.5 m,以盡量改善交通條件。另外,機(jī)動(dòng)車最小轉(zhuǎn)彎半徑也可以通過汽車參數(shù)手冊獲得。
在具體的工程實(shí)踐中,轉(zhuǎn)彎部位轉(zhuǎn)彎特性主要是結(jié)合施工期通行的工程機(jī)械的最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行計(jì)算。工程機(jī)械在開挖階段主要有出渣自卸汽車、裝載機(jī);澆筑混凝土襯砌階段主要有混凝土罐車、模板臺(tái)車運(yùn)輸車[4];機(jī)電安裝階段主要有運(yùn)輸大件設(shè)備的掛車。一般的自卸汽車、裝載機(jī)、罐車、模板臺(tái)車運(yùn)輸車均為非鉸接汽車。而運(yùn)輸大型機(jī)電設(shè)備的半掛車則屬于鉸接汽車。本文選取工程實(shí)踐中經(jīng)常用到的工程機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)彎特性計(jì)算,例如自卸汽車選取時(shí)代金剛(BJ3102DEPFA-G1),裝載機(jī)選取龍工LG843,半掛車選取日野SS633SA半掛車型拖車組[5],混凝土罐車選取三一C系列攪拌SY306C-6(IV)R,以上各種車型參數(shù)、轉(zhuǎn)彎特性計(jì)算成果見表1。
根據(jù)轉(zhuǎn)彎特性的計(jì)算方法可知,在其他參數(shù)確定的情況下,車輛的實(shí)際轉(zhuǎn)彎半徑與通道寬度成反比關(guān)系,即如果車輛前輪打輪角度偏大時(shí),雖然轉(zhuǎn)彎半徑較小,但需要的通道寬度總是過大而顯得不合理。故應(yīng)通過試算確定實(shí)際采用的工程機(jī)械的轉(zhuǎn)彎半徑和通道寬度。由此可知,通道的轉(zhuǎn)彎特性,不僅與平曲線半徑有關(guān),還與通道寬度有關(guān),而且兩者呈反比關(guān)系,即若平曲線半徑取較大值,則通道寬度可以取較小值;若平曲線半徑取較小值,則通道寬度需要取較大值。
表1 車型參數(shù)及轉(zhuǎn)彎特性表 m
注:表中 “車輛轉(zhuǎn)彎半徑”一欄,前面一個(gè)數(shù)字表示工程機(jī)械的最小轉(zhuǎn)彎半徑,后一個(gè)數(shù)字表示計(jì)算中實(shí)際的取值,也即r1的取值
按照《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》[6](SL 378—2007)要求,“施工交通支洞應(yīng)滿足運(yùn)輸、支護(hù)、各種管線布置及人行安全的要求”“必須斜交時(shí)不應(yīng)小于45°,交叉口應(yīng)滿足運(yùn)輸線路最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求”。轉(zhuǎn)彎部位有時(shí)受支洞口位置、縱坡、地質(zhì),以及洞室群布置等條件的限制,某些叉洞之間呈較小的銳角布置,這使得建設(shè)階段的施工條件受到較大限制。
一般情況下,大型引調(diào)水工程及地下電站工程交通支洞設(shè)計(jì)為5 m×5 m成洞斷面即可滿足單車道運(yùn)輸需要。若無大型機(jī)電設(shè)備安裝需要,一般的引、調(diào)水隧洞工程可不考慮鉸接型汽車、列車的情況,而僅僅按非鉸接汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)表1,所需的車道寬度>5 m,需要擴(kuò)大車道寬度才能滿足交通需要。一般的,從經(jīng)濟(jì)節(jié)約方面考慮,將轉(zhuǎn)彎部位做成擴(kuò)大的“Y”型結(jié)構(gòu),使之能夠滿足現(xiàn)場施工車輛的通行需要。譬如某工程主洞二襯前主、支洞洞徑均為5 m,其轉(zhuǎn)彎部位局部擴(kuò)大成6 m,其典型布置如圖3所示。
圖3 典型轉(zhuǎn)彎部位設(shè)計(jì)示意圖之一(單位mm)
在地下電站等大型地下洞室群,如果有運(yùn)輸機(jī)電設(shè)備等大件的需要,通常要用到鉸接式的汽車、列車。其設(shè)計(jì)可參照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7](JTGB 01—2014)的表4.0.17,當(dāng)不設(shè)置圓曲線超高,且路拱≤2.0%時(shí),對應(yīng)20 km/h的圓曲線最小半徑為150 m。一般的水工交通隧洞與公路隧洞有以下兩點(diǎn)不同:其一,為了便于控制開挖,極少考慮設(shè)置圓曲線超高和路拱(即超高和路拱均可視為0%);其二,考慮承擔(dān)大件運(yùn)輸任務(wù)的交通隧洞對半掛列車行駛速度沒有具體要求。當(dāng)工程實(shí)踐中布置150 m圓曲線半徑較為困難時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置盡可能大的圓曲線半徑,并結(jié)合本文所述計(jì)算方法,實(shí)際驗(yàn)算其通過能力。例如某施工交通隧洞圓曲線半徑最大只能取為30 m,若將半掛車列車自身的轉(zhuǎn)彎半徑也偏安全的取為30 m,則實(shí)際需要的通道寬度為6.35 m。若水工交通隧洞轉(zhuǎn)彎部位的車道寬度小于此值,可將其局部擴(kuò)大為6.50 m,以滿足計(jì)算要求。其布置如圖4所示。
圖4 典型轉(zhuǎn)彎部位設(shè)計(jì)示意圖之二(單位mm)
在實(shí)際設(shè)計(jì)通道轉(zhuǎn)彎部位時(shí),如果錯(cuò)誤的采用車輛自身的最小轉(zhuǎn)彎半徑或者不考慮通道寬度對轉(zhuǎn)彎部位通過性能的影響,通常設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)彎部位偏小,不能滿足交通需求。如果不能在開挖支護(hù)以前及時(shí)修正,就會(huì)造成施工過程的反復(fù),不僅浪費(fèi)投資,更是耽誤寶貴的工期。因此,必須重視地下工程的轉(zhuǎn)彎部位設(shè)計(jì),確保滿足施工期交通運(yùn)輸?shù)男枰?/p>