以工程经验为主的隧道动态设计原理初探

２００６年７月　第４期（总９４）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ墨　垦　铁道工程学报　ＮＯ．４（Ｓｅｒ．９４）　文章编号：１００６—２１０６（２００６）０４—００３９—０４　以工程经验为主的隧道动态设计原理初探。　陈唯一¨　（中国铁路工程总公司，　北京１０ｏＯ５５）　摘要：研究目的：研究以工程经验为主的隧道动态设计，提出以工程经验为主的隧道动态设计的实现方式以及　应注意的问题。　研究方法：通过将以工程经验为主的隧道动态设计原理与国内隧道动态设计施工实践相结合的方法，总　结分析以工程经验为主的隧道动态设计原理的意义、实现方式及实施中应注意的问题。　研究结果：提出了长大隧道宜优先考虑采用以工程经验为主的隧道动态设计的原则建议。　研究结论：采用以工程经验为主的隧道动态设计，将提高设计效率和工程经验的利用效率，促进隧道设计　施工的技术进步。　关键词：建设；隧道；工程；动态设计；实施　中图分类号：Ｕ４５２．２　文献标识码：Ａ　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ—ｙｉ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００５５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ　ｗｅｒｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒ－　ｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｗａｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｆｏｒ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｎ　ｏｆ　ｇｔｕｎｎｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｔｈｅ　ｓｉｎｉｇｉｆｃａｎｃｅ，ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｗａｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｆｏｒ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｏｒｆ　ｄｙｎａｍ—　ｉｃ　ｄｅｓｉｎ　ｐｒｉｇｎｃｉｐｉｅ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｎ　ｐｒｇｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｇｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｔ　ｈｏｍｅ・　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｔｈｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｗａｓ　ａ—　ｄａｐｔｉｖｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ｐｒｉｏｒｉｔｙ．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｎ　ｏｆ　ｇｔｕｎｎｅｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｗｉｔｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｄｅｓｉｎ　ｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｖ　ａｎｄ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｓｉｎ　ａｇｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｔｕｎｎｅｌ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｓｉｎ；ｒｅａｇｌｉｚａｔｉｏｎ　隧道工程越来越长，所穿越的地层越来越复杂，在　施工之前把隧道所穿过的地层地质情况调查清楚几乎　的围岩条件及时调整施工工艺、支护措施和结构参数。　为此出现了隧道动态设计概念，即先按照地勘资料进　行预设计和施工，然后在施工过程中调查地质情况和　无法科学、合理地实现。在施工过程中需要根据实际　收稿日期：２００６—０６—１９　¨　作者简介：陈唯一，１９５６年出生，男，高级工程师，现任中国铁路工程总公司科技部。　维普资讯 http://www.cqvip.com

铁道工程学报　２００６年７月　结构安全信息，对这些信息系统地分析后提出对策和　措施，再调整设计和施工，如此循环的过程。隧道动态　设计使隧道工程的设计施工能够及时适应地质情况的　变化，使安全施工和工程投资得到有效控制。　“隧道动态设计”的概念很早就在隧道设计施工　中有所体现。近年的隧道工程基本上也是按照“隧道　动态设计”的思想进行设计的。动态设计的概念在新　奥法中也有所体现，但有区别，新奥法的主要思想是根　据对支护力学行为的监测和分析，及时调整支护参数　和确定衬砌的合理施作时间，以达到充分发挥围岩和　支护结构的自承能力，其主要目的是为施工安全提供　指导和使衬砌受力合理。　我国长大隧道工程中基本都采用了动态设计方法　或引入动态设计的概念进行设计。例如兰新铁路长　２０．０５　ｋｍ、具有大变形、活动断层的乌鞘岭铁路隧道，渝　怀铁路的长１１．０７　ｋｉｎ、具有高压富水、溶洞、煤层瓦斯、　高地应力等恶劣的地质条件的圆梁山隧道，宜万铁路的　野山关、齐岳山、八字岭、赣龙线吊钟岩等长大隧道。所　有上述这些工程中都采用或将要采用动态设计的理念，　有的已经积累了一定的动态设计经验。在厦门仙岳山　隧道、２１３国道四川鹧鸪山隧道、达渝高速铜锣山隧道、　云南大风垭口特长公路隧道、元磨高速公路的长大隧道　等公路隧道工程中得到应用，并取得一些成果。　但是目前隧道动态设计中仍然存在两方面的问　题。一方面，隧道动态设计是以施工过程中的地质信　息、施工方法和进度、结构力学行为监测等信息为动态　重要信息进行分析和工程措施决策。然而上述信息之　间的统一性、及时性和信息反馈的及时性难以得到保　证，从而使施工中的各种信息难以及时进行确认和反　馈到设计，也难以及时进行修改或优化设计。另一方　面，隧道工程建设经验积累和利用率非常低。工程中　的设计、施工等经验是非常宝贵的，应该及时进行积累　并充分加以利用。工程设计施工中采取的措施一般都　根据技术人员亲历的工程经验来选取，某个人施工完　某个隧道后，经验就存放在自己的记忆里或施工总结　资料中。其工程经验很难实现共享。这种现象阻碍了　工程技术的积累速度和快速发展与提高。　近期信息技术以及各种获取信息手段和方法的迅　速发展，特别是隧道工程建设的设计施工的改革，　为真正意义上实现隧道“隧道动态设计”奠定了基础。　１　以工程经验为主的隧道动态设计原　理　１．１原理　以工程经验为主的隧道动态设计，就是以地质勘　察资料和预设计资料为基础，以工程经验为主要技术　背景的隧道动态设计。以前以分析计算和设计者个人　经验为主指导隧道动态设计，其主要缺点是，对计算分　析者的理论水平和工程技术水平要求很高，同时需要　设计者的工程设计经验非常丰富才能。为了克服上述　问题，重新提出了以工程经验为主的隧道动态设计流　程思路。首先进行预设计；按预设计进行开挖施工；调　查掌子面的地质情况和已经开挖段隧道的主要力学行　为等信息；查询经验数据库中是否有此类工程经验实　例，如果有就选取经验库中的设计方案进行设计，如果　没有此类经验则以工程段的分析计算或专家意见进行　设计；对围岩及支护结构的力学状态变化情况进行监　测，根据监测结果判断其发展变化规律，提出围岩和支　护结构安全状态及其发展趋势，给出是否需要修改支　护设计参数；再进行施工、监测、修改设计这样的循环　过程。各隧道动态设计区段的动态设计流程图，系统　主要的输入输出参数分别见图１、图２和图３。　区段预设计资料　—　地质资料　孬孬鬲　——　结构设计资料　施工工艺　二二二　二二　地质预报　／＼—，查中—询是—经否—验有厂数此—据类～　ｌ库工＼否／卜１Ｉ　壤　修墨改罂量　设　前方是否存在　不良地质　经验库中的经验　歪　Ｉ　匿Ｌ　Ｉ　———１—一　ｌ凝　修改设　进行修改设计一选取ｌ　Ｉ施１　囱　否Ｉ．＿——一　经验库中的经验　ｌ　　ｌ囱　／／查询经验数据库＼否ｌ警　是否稳定安全℃＞二　至　歪　Ｌ　图１各区段动态设计流程示意图　１．２工程经验数据库的建立　为了让工程经验能够快速积累，必须将工程经验　用数据库方式进行管理和利用。为此需要建立隧道工　程经验的数据库。数据库中的每一条工程经验是由设　计方案、地质条件、施工条件、监测数据及分析结果、对　经验的评价等信息的组成。　维普资讯 http://www.cqvip.com

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４２　铁道工程学报　２００６年７月　计算机管理，综合分析设计、施工、监测及地质预报等　信息，为动态设计施工决策提供参考。　软件根据不同角色的用户需要来编制，主要功能　有：用户权限设置、工程项目设置；动态循环隧道的区　段划分、地质勘察资料及预设计资料的编辑；地质预报　使工程经验不断积累。　４．２与计算的关系　以工程实际经验为基础的隧道动态设计并不排斥　对隧道结构的数值计算分析。当我们遇到某特殊区　段、经验库尚无相关工程经验时，需要使用数值计算、　甚至模型试验等手段对此进行分析研究，以便指导设　计。当数据库中的工程经验比较少时，对给出的工程　资料的输入输出；施工进度信息的编辑、施工工艺信息　编辑；工程质量检查信息编辑；变更设计相关信息编辑　及过程控制；以及其它数据管理功能。　３动态设计的意义　通过建立以工程经验为主的隧道动态设计信息管　理系统，可以克服目前动态设计中信息的统一性和及　时性困难，使动态设计中需要的信息能够流动到相关　单位和人员，使他们能够及时获得信息，为工程决策提　供可靠的资料。通过该系统可以快速有效地积累隧道　工程的设计及施工经验。在此基础上对提供的经验进　行类比，为系统使用者提供工程经验推荐，从而起到辅　助决策的作用。　随着工程经验的不断积累，该动态设计系统将为　后续隧道工程的设计、施工提供重要参考。同时还可　以通过对工程经验进行类比分析提出：一定围岩条件　下支护结构的变形规律；某种地质条件下的施工工艺、　支护及其参数；一定围岩及支条件下的预留变形量；一　定围岩及支护条件下的二次衬砌施作时间等以前难以　得到的工程设计和施工亟需的参数等重要信息。　通过该系统的应用将大大提高隧道动态设计管理　水平，也为隧道工程的设计、施工等的工程经验积累创　造充分条件，实现隧道动态设计经验的快速积累，为隧　道修建技术的快速进步奠定基础。　４需要注意的问题　４．１需要注意的关键问题　隧道动态设计过程是一个系统工程，需要业主主　要领导及各相关单位领导的高度重视，并做好动员和　宣传工作，才能使这一过程顺利实现。　动态设计中的成败关键取决于工程信息是否真实　可靠，动态设计的业主、设计、施工监测、监理等相关单　位必须高度重视和严格把关。　初期使用动态设计系统时，需要输入大量地质资　料和设计资料，但在动态循环过程中资料的输入量会　越来越少，因为数据库中已经有了，只需要选择即可。　为工程技术人员节约时间，让他们把更多的时间放到　技术创新和技术进步上。　随着工程经验数据的快速积累，该系统给出的经　验建议的参考价值会越来越高。因此，坚持应用才能　经验进行数值分析也是提高建议参考价值的重要手　段。　４．３与专家意见的关系　隧道工程专家的知识和工程经验是隧道工程技术　的重要技术宝库，因此，专家对某工程的咨询某个建议　或意见也是一条重要的工程经验，并且在使用时它具　有更大的权重。　５　结束语　（１）以工程经验为主的动态设计原理将避免大量　的隧道工程结构分析计算问题，实现了网络化动态设　计，提高了设计效率。　（２）以工程经验为主的动态设计原理已经编制成　网络软件，为具体工程定制后即可用于隧道动态设计　信息管理。　（３）随着隧道工程经验的不断积累，将大大提高工　程经验的利用效率，并大大加快隧道技术的进步速度。　参考文献：　［１］　吴江敏，等．关于新建隧道动态设计方法的探讨［Ｊ］．现代　隧道技术，２００３（４）：３５—３７．　［２］　李国锋，等．特殊地质公路隧道动态设计施工技术［Ｍ］．　北京：人民交通出版社，２００５．　［３］高新强，等．新建铁路隧道动态设计系统的构思［Ｊ］．铁道　标准设计，２００４（８）：４４—４６．　［４］　王建宇．地下工程喷锚支护原理和设计［Ｍ］．北京：中国　铁道出版社，１９８０．　［５］　王建宇．隧道工程监测和信息化设计原理［Ｍ］．北京：中　国铁道出版社，１９９０．　［６］　孙均．地下工程设计理论与实践［Ｍ］．．上海：上海科学技　术出版社，１９９６．　［７］　中铁西南科学研究院．隧道工程施工监测与支护系统信　息化设计［Ｒ］，１９８７．　［８］　中铁西南科学研究院．公路隧道软弱围岩支护系统可靠　性应用与研究［Ｒ］，２００２．　［９］　中铁西南科学研究院．新建铁路动态设计方法的研究报　告［Ｒ］，２００５．　［１０］　中铁西南科学研究院．公路隧道动态设计信息管理软件　系统［Ｒ］，２００６．　（编辑马丽）