孫中秋，袁 松，肖春紅

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

山嶺公路隧道設(shè)計(jì)屬于山嶺地下工程設(shè)計(jì)，地質(zhì)條件可能伴隨斷裂帶、裂隙、節(jié)理、構(gòu)造應(yīng)力及地下水等，隧道圍巖狀況具有較大的不確定性；同時，由于大多天然圍巖力學(xué)性質(zhì)存在各向異性，公路隧道理論設(shè)計(jì)所需的邊界條件難以準(zhǔn)確量化，數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果可能與實(shí)際存在較大偏差，工程建設(shè)的可靠性難以保證。

JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》給出的隧道設(shè)計(jì)方法主要包括地層結(jié)構(gòu)法、荷載結(jié)構(gòu)法和工程經(jīng)驗(yàn)法。明洞襯砌一般采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算；復(fù)合式襯砌初期支護(hù)主要采用工程類比法設(shè)計(jì)，當(dāng)考慮復(fù)合式襯砌中的二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力時，可采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算[1]。目前在隧道設(shè)計(jì)領(lǐng)域已有較多研究，例如：鄭穎人等[2]對隧道圍巖穩(wěn)定性分析及其判據(jù)進(jìn)行了深入探討，通過利用無襯砌圍巖安全系數(shù)作為圍巖自穩(wěn)的定量判據(jù)，提出了力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的優(yōu)化思路；文獻(xiàn)[3-7]分別對土體圍巖壓力、不同條件下的結(jié)構(gòu)受力狀況以及結(jié)構(gòu)變形計(jì)算和支護(hù)參數(shù)調(diào)整方案進(jìn)行了研究，探討了數(shù)值極限方法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)法及總安全系數(shù)法等在不同情況下的隧道設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，以期得到更接近實(shí)際情況的設(shè)計(jì)理論;文獻(xiàn)[8-9]對復(fù)合式襯砌的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。研究表明，復(fù)雜地質(zhì)條件下理論設(shè)計(jì)法的工程可靠度難以保證，工程經(jīng)驗(yàn)法是山嶺隧道的主要設(shè)計(jì)方法之一[10]。

目前已有部分學(xué)者基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立了隧道工程經(jīng)驗(yàn)庫，為工程經(jīng)驗(yàn)法提供數(shù)據(jù)支撐。例如：陳唯一[11]基于數(shù)據(jù)庫對工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并基于該工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合隧道現(xiàn)場施工狀況開展了隧道動態(tài)設(shè)計(jì)；劉佳寶[12]開發(fā)了鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過對大量隧道數(shù)據(jù)的研究，建立了鐵路隧道數(shù)據(jù)庫，利用圍巖特征曲線法計(jì)算了初期支護(hù)的安全系數(shù)，為設(shè)計(jì)及施工人員提供了參考。

上述學(xué)者利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)，只是將其作為一個搜索和分析庫供工程人員使用，而將數(shù)據(jù)庫技術(shù)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)合起來指導(dǎo)設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究還較少。因此，本文將數(shù)據(jù)庫與設(shè)計(jì)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，形成隧道信息化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可按照經(jīng)驗(yàn)法的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)新建隧道支護(hù)參數(shù)的自動分析和推送，為新建隧道設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐；并將新建隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的自我提升和完善，提高隧道的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1 常規(guī)工程經(jīng)驗(yàn)法在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隧道圍巖壓力及支護(hù)參數(shù)主要受隧道規(guī)模、類型、尺寸、施工方案和工程地質(zhì)條件等多個方面的影響。其中，影響工程地質(zhì)條件的因素較多，主要包括區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、地層巖性、圍巖等級、隧道埋深、地下水、斷層破碎帶、層理及裂隙節(jié)理發(fā)育狀況等。

隧道地質(zhì)情況不確定性較大，且需考慮的影響因素較多，數(shù)值計(jì)算很難準(zhǔn)確模擬工程的實(shí)際受力情況。常規(guī)的工程經(jīng)驗(yàn)法是指設(shè)計(jì)人員通過分析隧道支護(hù)參數(shù)影響因素，根據(jù)自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或查詢設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫來獲取既往類似成功案例的設(shè)計(jì)及施工數(shù)據(jù)，然后以此作為參考來確定當(dāng)前隧道的支護(hù)參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場施工時實(shí)際揭露的地質(zhì)狀況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。針對特殊結(jié)構(gòu)及特殊地質(zhì)情況下的隧道設(shè)計(jì)，沒有類似工程施工數(shù)據(jù)作為參考，需采用荷載結(jié)構(gòu)法或地層結(jié)構(gòu)法通過計(jì)算確定支護(hù)參數(shù)。

2 隧道信息化設(shè)計(jì)體系組成

隧道信息化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)(基于CAD平臺)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)本地臨存系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)(隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。其將常規(guī)的工程經(jīng)驗(yàn)法與基于CAD開發(fā)的隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，在設(shè)計(jì)人員利用隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)開展隧道設(shè)計(jì)的同時，系統(tǒng)自動根據(jù)工程人員錄入的地質(zhì)及工程信息對經(jīng)驗(yàn)庫進(jìn)行檢索分析，并將分析結(jié)果作為隧道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，以指導(dǎo)隧道支護(hù)參數(shù)的選取，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值向設(shè)計(jì)人員的智能化反饋。

2.1 數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)主要用來存儲既有工程項(xiàng)目的隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[13]。工程經(jīng)驗(yàn)庫存儲的設(shè)計(jì)參數(shù)包括工程位置、設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)時間、設(shè)計(jì)人員、地質(zhì)、輪廓大小、施工工法及對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。其中，工程位置包括工程坐標(biāo)及行政區(qū)域；地質(zhì)包括是否淺埋、圍巖類型(土質(zhì)或石質(zhì))、圍巖巖性(如花崗巖、閃長巖、泥巖、砂巖等)、圍巖等級、地質(zhì)概況、圍巖大變形等級(高級、中級、初級或無)、巖爆等級(高級、中級、初級或無)、瓦斯等級(低瓦斯、高瓦斯、瓦斯突出或無)；輪廓大小包括內(nèi)輪廓最大跨度和最大高度；施工工法包括全斷面法、兩臺階法、三臺階法、單側(cè)壁法及雙側(cè)壁法等；支護(hù)參數(shù)包括二次襯砌厚度、二次襯砌配筋方式、二次襯砌混凝土規(guī)格、初期支護(hù)厚度、初期支護(hù)混凝土規(guī)格、鋼架型號、鋼架間距、錨桿型號、錨桿長度、錨桿縱向間距、錨桿環(huán)向間距、拱墻預(yù)留變形量、仰拱預(yù)留變形量及鋼筋網(wǎng)規(guī)格等。

為了提高經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，經(jīng)驗(yàn)庫中儲存的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較多。為便于存儲、檢索和管理，數(shù)據(jù)庫中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)其類別共分3個表單，分別是工程信息、支護(hù)類型設(shè)計(jì)、類型支護(hù)參數(shù)。3個表單之間的數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1所示。3個表單樣式分別如表1—3所示。表單中的GUID是由計(jì)算機(jī)生成的唯一標(biāo)識符，用于標(biāo)識項(xiàng)目的唯一性，是串聯(lián)3個表格關(guān)系的唯一參數(shù)。表1中的一條數(shù)據(jù)+表2中對應(yīng)的數(shù)據(jù)(表2：GUID==表1：GUID)+表3中對應(yīng)的數(shù)據(jù)(表3：GUID==表2：GUID&&表3：支護(hù)類型==表2：支護(hù)類型)聯(lián)合形成一條經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 工程信息、支護(hù)類型設(shè)計(jì)及類型支護(hù)參數(shù)關(guān)系圖Fig.1 Relationship among project information,support type and support parameters

2.2 隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)

隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括平縱設(shè)計(jì)和通用圖設(shè)計(jì)[14]2個模塊。平縱設(shè)計(jì)和通用圖設(shè)計(jì)軟件界面分別如圖2和圖3所示。

表1 工程信息Table 1 Engineering information

表2 支護(hù)類型設(shè)計(jì)Table 2 Design of support types

表3 類型支護(hù)參數(shù)Table 3 Parameters of support

圖2 隧道平縱設(shè)計(jì)軟件界面Fig.2 Software interface for tunnel horizontal and longitudinal design

圖3 隧道通用圖設(shè)計(jì)軟件界面Fig.3 Software interface for tunnel general drawing design

通用圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)流程分為設(shè)計(jì)參數(shù)錄入、工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及繪制通用圖3個子模塊。工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)子模塊界面如圖4所示。通用圖設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先，在設(shè)計(jì)參數(shù)錄入子模塊錄入本項(xiàng)目的工程標(biāo)準(zhǔn)，包括內(nèi)輪廓參數(shù)、電纜溝參數(shù)、排水溝參數(shù)、路面參數(shù)及其他輔助參數(shù)；然后，通過工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)子模塊確定支護(hù)類型及其對應(yīng)的地質(zhì)情況，并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫確定支護(hù)參數(shù)；最后，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)子模塊中確定的支護(hù)參數(shù)并利用繪制通用圖子模塊繪制隧道通用圖。在工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)子模塊，用戶需設(shè)定相應(yīng)的分析條件，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的控制條件自動分析獲取經(jīng)驗(yàn)庫推薦的支護(hù)參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖4 工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)子模塊界面Fig.4 Interface for engineering empirical design

圖5 通用圖設(shè)計(jì)流程Fig.5 Design process of tunnel general drawing

平縱設(shè)計(jì)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)流程及功能分為8個模塊，即繪制縱斷面、節(jié)段設(shè)計(jì)、橫通道調(diào)整、圖紙數(shù)據(jù)同步、輔助設(shè)計(jì)、表格統(tǒng)計(jì)、繪制平面及存儲數(shù)據(jù)庫。平縱設(shè)計(jì)流程如圖6所示。首先，根據(jù)在繪制縱斷面模塊的縱斷面參數(shù)中錄入的工程基礎(chǔ)資料(緯地數(shù)據(jù)、工程信息、地質(zhì)及其他)，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、工程經(jīng)驗(yàn)庫及通用圖設(shè)計(jì)模塊緩存的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行自動設(shè)計(jì)；然后，利用系統(tǒng)的面向?qū)ο笮薷哪K(節(jié)段設(shè)計(jì)和橫通道調(diào)整等模塊)修改設(shè)計(jì)成果，并可根據(jù)復(fù)審意見及施工變更需求對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。信息化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)將根據(jù)最新的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行同步更新，并通過數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng)緩存至本地計(jì)算機(jī)，工程建設(shè)完成后，方可將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為最終成果上傳至數(shù)據(jù)庫，作為工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖6 隧道平縱設(shè)計(jì)流程Fig.6 Process of tunnel horizontal and longitudinal design

2.3 數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng)可對設(shè)計(jì)人員的中間成果進(jìn)行臨時存儲，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)選擇JSON格式作為數(shù)據(jù)存儲格式。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員可在本地計(jì)算機(jī)在不同時刻對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行多次更改，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)圖紙可實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，使設(shè)計(jì)的靈活性及數(shù)據(jù)的可移植性得到提高。同時，JSON作為前后端數(shù)據(jù)交互的一種標(biāo)準(zhǔn)格式，可實(shí)現(xiàn)前端設(shè)計(jì)系統(tǒng)與后端數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時交互。施工階段若發(fā)生設(shè)計(jì)變更，用戶需根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行更改，得到最終的JSON格式設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并上傳至隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫。

支護(hù)參數(shù)JSON格式數(shù)據(jù)類型如下。

{

"Z5a":{

"內(nèi)輪廓類別":"Z",

"二次襯砌厚度":"0.55",

"二次襯砌環(huán)向鋼筋規(guī)格":"HRB400-22",

"二次襯砌環(huán)向鋼筋間距":"0.2",

"二次襯砌縱向鋼筋規(guī)格":"HRB400-12",

"二次襯砌縱向鋼筋間距":"0.2",

"初期支護(hù)厚度":"0.22",

"拱墻預(yù)留變形量":"0.20",

"內(nèi)輪廓參數(shù)"：{

"頂圓半徑":"5.31",

"側(cè)圓半徑"："8.0",

"下圓半徑":"15.0",

……

}，

……

},

……

}

2.4 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可根據(jù)用戶提供的分析條件及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料自動檢索隧道經(jīng)驗(yàn)庫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析條件中設(shè)定的邏輯算法及系統(tǒng)內(nèi)置的分析邏輯計(jì)算相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，然后將其反饋給設(shè)計(jì)人員。

3 數(shù)據(jù)庫及其與隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

3.1 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程

隧道信息化設(shè)計(jì)體系數(shù)據(jù)交互主要包括前端隧道設(shè)計(jì)和后端數(shù)據(jù)處理2個板塊。

3.1.1 前端隧道設(shè)計(jì)

前端隧道設(shè)計(jì)通過實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)人員的人機(jī)交互生成對應(yīng)的施工圖，并支持設(shè)計(jì)或建設(shè)過程中支護(hù)參數(shù)的調(diào)整和設(shè)計(jì)圖紙的變更。前端隧道設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 前端隧道設(shè)計(jì)流程Fig.7 Flowchart of front-end tunnel design

3.1.2 后端數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)庫是一種結(jié)構(gòu)化存儲和管理數(shù)據(jù)的共享倉庫，通過與用戶的交互共享，可實(shí)現(xiàn)隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫中數(shù)據(jù)的自我豐富。

為提高用戶使用的便利性，通過在本地計(jì)算機(jī)增加設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng)，將其作為中間設(shè)計(jì)成果的緩存空間，不僅可以實(shí)現(xiàn)隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)的離線操作，還可以通過在臨存系統(tǒng)與經(jīng)驗(yàn)庫之間建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)審核機(jī)制，有效保證經(jīng)驗(yàn)庫數(shù)據(jù)的安全性及準(zhǔn)確性。后端數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 后端數(shù)據(jù)處理流程Fig.8 Flowchart of back-end data processing

隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫是整個隧道信息化設(shè)計(jì)體系能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心動力，需要大量真實(shí)可信的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充實(shí)和豐富，同時要保證經(jīng)驗(yàn)庫的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可修改性。為此，隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫提供了2個數(shù)據(jù)錄入端口，即隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)錄入接口和面向全行業(yè)收集隧道經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Excel錄入接口。隧道信息化設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程如圖9所示。

圖9 隧道信息化設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程Fig.9 Data processing of tunnel informatized design system

3.2 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析條件及其類型

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析之前，用戶可設(shè)定的分析條件主要包括輪廓最大偏差、地質(zhì)概況關(guān)鍵詞、參考設(shè)計(jì)單位、巖性和巖性匹配方式。巖性匹配共分3種：全、半、無，對應(yīng)的關(guān)鍵詞檢索邏輯分別為相等、包含、無(“無”代表數(shù)據(jù)分析不考慮巖性參數(shù))。

為了保證經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，提供的數(shù)據(jù)檢索條件均為必要條件，除上述用戶設(shè)定的分析條件外，還包括是否淺埋、是否偏壓、圍巖類型、圍巖等級、圍巖大變形等級、巖爆等級及瓦斯等級。

公路山嶺隧道一般采用復(fù)合式襯砌支護(hù)，單個支護(hù)構(gòu)件不能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體支撐能力，需要對所有支護(hù)構(gòu)件的綜合支護(hù)參數(shù)進(jìn)行對比研究。支護(hù)參數(shù)分為以值度量和以規(guī)格度量2種類型，用計(jì)算機(jī)語言描述分別為double值和枚舉值。

1)double值。二次襯砌厚度、二次襯砌環(huán)向鋼筋間距、二次襯砌縱向鋼筋間距、初期支護(hù)襯砌混凝土厚度、鋼架間距、錨桿長度、錨桿縱向間距、錨桿環(huán)向間距、拱墻預(yù)留變形量和仰拱預(yù)留變形量等支護(hù)參數(shù)類型均為double值。按照行業(yè)設(shè)計(jì)習(xí)慣，double值類型的支護(hù)參數(shù)均具有特征參數(shù)(例如：二次襯砌厚度特征參數(shù)一般為30、35、40、45 cm……)，參數(shù)按向上取特征值的規(guī)則進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2)枚舉值。二次襯砌環(huán)向鋼筋規(guī)格、二次襯砌縱向鋼筋規(guī)格、二次襯砌混凝土規(guī)格、初期支護(hù)混凝土規(guī)格、鋼架型號、錨桿型號等支護(hù)參數(shù)類型均為枚舉值，例如：混凝土規(guī)格的特征參數(shù)一般為C15、C20、C25、C30等。

3.3 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)理念可知，二次襯砌主要作為結(jié)構(gòu)安全儲備。初期支護(hù)主要由初期支護(hù)混凝土、鋼架和錨桿組成，并結(jié)合圍巖的自承能力共同組成支護(hù)系統(tǒng)，是復(fù)合式襯砌的主要承力系統(tǒng)，也是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析算法的首要考慮因素。

滿足分析條件的隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，反饋給設(shè)計(jì)人員的支護(hù)參數(shù)值具有唯一性。系統(tǒng)首先按照設(shè)定的分析條件得到適合當(dāng)前結(jié)構(gòu)適用條件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，再根據(jù)支護(hù)參數(shù)分析邏輯(見圖10)對所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和提取。圖10中，“占比最多”指某個特征參數(shù)值在滿足條件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合中使用頻率最高。

支護(hù)參數(shù)分析邏輯主要包括以下幾個步驟：

1)計(jì)算二次襯砌厚度及初期支護(hù)厚度。按占比最多的原則計(jì)算參數(shù)推薦值，并剔除與推薦值不同的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2)計(jì)算錨桿型號、鋼筋網(wǎng)規(guī)格?；诓襟E1)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，按占比最多的原則計(jì)算錨桿型號及鋼筋網(wǎng)規(guī)格推薦值，并計(jì)算對應(yīng)的單位面積平均錨桿長度(錨桿布置密度)，剔除與推薦值不同的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)計(jì)算錨桿長度、錨桿環(huán)向間距?；诓襟E2)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合計(jì)算平均錨桿長度，將其作為初期支護(hù)錨桿長度的推薦值，并按占比最多的原則計(jì)算錨桿環(huán)向間距推薦值。錨桿長度代表初期支護(hù)作用半徑，是圍巖自承能力的重要體現(xiàn)。

4)計(jì)算鋼架型號、鋼架間距?；诓襟E1)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，按占比最多的原則計(jì)算鋼架型號及對應(yīng)的鋼架間距推薦值，并剔除與推薦值不同的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5)基于步驟4)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，按占比最多的原則計(jì)算鋼架間距與對應(yīng)的錨桿縱向間距比例p。

6)計(jì)算錨桿縱向間距?；诓襟E4)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合和鋼架間距及步驟5)得到的p值，計(jì)算錨桿縱向間距推薦值。

7)人工調(diào)整錨桿布置參數(shù)。將步驟2)、3)、6)得到的錨桿參數(shù)與步驟2)得到的錨桿布置密度進(jìn)行綜合對比分析，并將分析結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行人工確認(rèn)或調(diào)整。

8)判斷是否需要設(shè)置仰拱、拱墻鋼筋及仰拱鋼筋。基于步驟1)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，按占比最多的原則分析是否需要設(shè)置仰拱、拱墻鋼筋及仰拱鋼筋，并剔除與此原則不同的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

9)計(jì)算二次襯砌主筋規(guī)格和間距?；诓襟E8)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，按占比最多的原則計(jì)算鋼筋規(guī)格和對應(yīng)的縱向間距推薦值。

10)計(jì)算箍筋和縱筋規(guī)格及間距?；诓襟E9)得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集合，按占比最多的原則計(jì)算箍筋和縱筋規(guī)格及間距推薦值。

圖10 隧道設(shè)計(jì)系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)分析邏輯Fig.10 Analysis logic of supporting parameters in tunnel design system

4 工程應(yīng)用

川九路中田山隧道長488 m，內(nèi)輪廓寬度為13 m，洞身圍巖類型主要為鈣質(zhì)砂巖及砂質(zhì)板巖，圍巖等級主要為Ⅴ級和Ⅳ級，洞口條件較差，主要為崩坡碎石。采用本文提出的隧道信息化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開展隧道設(shè)計(jì)，主要步驟如下：

1)根據(jù)地勘資料，梳理中田山隧道的內(nèi)輪廓參數(shù)及對應(yīng)的地質(zhì)類型，地質(zhì)類型主要包括地質(zhì)概況、圍巖等級、巖性、巖爆等級、瓦斯等級、大變形等級、是否偏壓、是否淺埋等。

2)在步驟1)的基礎(chǔ)上，利用隧道通用圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)對每種內(nèi)輪廓及對應(yīng)的地質(zhì)類型進(jìn)行工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用兩臺階施工工法，合并具有相同支護(hù)參數(shù)的襯砌類型，得到本項(xiàng)目襯砌支護(hù)參數(shù)及對應(yīng)的通用圖。

3)在隧道平縱設(shè)計(jì)系統(tǒng)中錄入相應(yīng)的工程信息、洞口設(shè)計(jì)參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)、路線信息及其他輔助參數(shù)。隧道縱斷面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)錄入界面如圖11所示。中田山隧道地質(zhì)參數(shù)見表4。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)庫及地質(zhì)參數(shù)計(jì)算支護(hù)參數(shù)(計(jì)算方法同步驟2))，并與步驟2)得到的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行匹配，得到對應(yīng)的襯砌支護(hù)類型。

4)根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計(jì)，并輸出工程量表及其他關(guān)鍵信息。表5示出隧道信息化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中得到的中田山隧道襯砌支護(hù)參數(shù)。K1+555～+605段系統(tǒng)推薦支護(hù)設(shè)計(jì)為A5q。根據(jù)地形及地勘資料顯示，此段圍巖穩(wěn)定性較差，且偏壓較嚴(yán)重，故將設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)在A5q基礎(chǔ)上進(jìn)行了加強(qiáng)。隧道實(shí)際施工時，開挖揭露A5襯砌支護(hù)段落裂隙較發(fā)育。為保證工程安全，錨桿長度由3.0 m變更為3.5 m，其余支護(hù)參數(shù)與原設(shè)計(jì)保持一致，施工完成后結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

圖11 隧道縱斷面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)錄入界面Fig.11 Input of interface of route,geology,engineering information,and cave entrance parameters

表4 中田山隧道地質(zhì)參數(shù)Table 4 Geological parameters of Zhongtianshan tunnel

表5 中田山隧道襯砌支護(hù)參數(shù)Table 5 Support parameters of Zhongtianshan tunnel

5 結(jié)論與建議

隧道信息化設(shè)計(jì)體系將隧道設(shè)計(jì)繪圖與工程經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)庫管理隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)作為新建隧道的設(shè)計(jì)依據(jù)，具有以下優(yōu)勢。

1)隧道信息化設(shè)計(jì)體系以隧道設(shè)計(jì)繪圖作為隧道經(jīng)驗(yàn)庫數(shù)據(jù)的錄入端口，為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷豐富奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2)利用此體系通過施工數(shù)據(jù)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及設(shè)計(jì)圖紙，可充分保證經(jīng)驗(yàn)庫中支護(hù)參數(shù)的可靠性。

3)該設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持選擇不同設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，可較好地控制分析結(jié)果的質(zhì)量及有效性。

4)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中隧道支護(hù)參數(shù)的自動反饋，可極大提高隧道的設(shè)計(jì)效率，為支護(hù)參數(shù)的合理性提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

本文提出的隧道信息化設(shè)計(jì)體系適用于采用工程經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的隧道項(xiàng)目，其考慮了圍巖等級、巖性、圍巖類型、大變形、瓦斯及巖爆等地質(zhì)參數(shù)對隧道支護(hù)參數(shù)的影響，但在節(jié)理、裂隙及其他特殊地質(zhì)情況下的程序分析邏輯較復(fù)雜，需要更完善的地質(zhì)資料、更系統(tǒng)的地質(zhì)參數(shù)表達(dá)及更成熟的地質(zhì)分析邏輯。本文提出的設(shè)計(jì)體系對特殊地質(zhì)的分析邏輯還比較欠缺，若存在系統(tǒng)未考慮的地質(zhì)因素，需要設(shè)計(jì)人員通過人工干預(yù)的方式根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整支護(hù)參數(shù)。