孫中秋,袁 松,肖春紅
(四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610017)
山嶺公路隧道設計屬于山嶺地下工程設計,地質條件可能伴隨斷裂帶、裂隙、節(jié)理、構造應力及地下水等,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性質存在各向異性,公路隧道理論設計所需的邊界條件難以準確量化,數(shù)值計算所得結果可能與實際存在較大偏差,工程建設的可靠性難以保證。
JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》給出的隧道設計方法主要包括地層結構法、荷載結構法和工程經(jīng)驗法。明洞襯砌一般采用荷載結構法計算;復合式襯砌初期支護主要采用工程類比法設計,當考慮復合式襯砌中的二次襯砌承擔圍巖壓力時,可采用地層結構法計算[1]。目前在隧道設計領域已有較多研究,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),提出了力學強度參數(shù)的優(yōu)化思路;文獻[3-7]分別對土體圍巖壓力、不同條件下的結構受力狀況以及結構變形計算和支護參數(shù)調整方案進行了研究,探討了數(shù)值極限方法、經(jīng)驗數(shù)據(jù)總結法及總安全系數(shù)法等在不同情況下的隧道設計應用方法,以期得到更接近實際情況的設計理論;文獻[8-9]對復合式襯砌的支護參數(shù)進行了系統(tǒng)性的研究。研究表明,復雜地質條件下理論設計法的工程可靠度難以保證,工程經(jīng)驗法是山嶺隧道的主要設計方法之一[10]。
目前已有部分學者基于數(shù)據(jù)庫技術建立了隧道工程經(jīng)驗庫,為工程經(jīng)驗法提供數(shù)據(jù)支撐。例如:陳唯一[11]基于數(shù)據(jù)庫對工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行管理,并基于該工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫,結合隧道現(xiàn)場施工狀況開展了隧道動態(tài)設計;劉佳寶[12]開發(fā)了鐵路隧道結構設計系統(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算了初期支護的安全系數(shù),為設計及施工人員提供了參考。
上述學者利用數(shù)據(jù)庫技術建立經(jīng)驗系統(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)庫技術與設計系統(tǒng)結合起來指導設計的應用研究還較少。因此,本文將數(shù)據(jù)庫與設計系統(tǒng)有機結合,形成隧道信息化設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)可按照經(jīng)驗法的設計思路實現(xiàn)新建隧道支護參數(shù)的自動分析和推送,為新建隧道設計提供數(shù)據(jù)支撐;并將新建隧道設計數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的自我提升和完善,提高隧道的設計效率和質量。
隧道圍巖壓力及支護參數(shù)主要受隧道規(guī)模、類型、尺寸、施工方案和工程地質條件等多個方面的影響。其中,影響工程地質條件的因素較多,主要包括區(qū)域構造應力、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。
隧道地質情況不確定性較大,且需考慮的影響因素較多,數(shù)值計算很難準確模擬工程的實際受力情況。常規(guī)的工程經(jīng)驗法是指設計人員通過分析隧道支護參數(shù)影響因素,根據(jù)自身的設計經(jīng)驗或查詢設計經(jīng)驗庫來獲取既往類似成功案例的設計及施工數(shù)據(jù),然后以此作為參考來確定當前隧道的支護參數(shù),并根據(jù)現(xiàn)場施工時實際揭露的地質狀況及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)調整支護參數(shù)。針對特殊結構及特殊地質情況下的隧道設計,沒有類似工程施工數(shù)據(jù)作為參考,需采用荷載結構法或地層結構法通過計算確定支護參數(shù)。
隧道信息化設計系統(tǒng)包括隧道設計系統(tǒng)(基于CAD平臺)、結構化設計數(shù)據(jù)本地臨存系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)(隧道設計經(jīng)驗庫)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。其將常規(guī)的工程經(jīng)驗法與基于CAD開發(fā)的隧道設計系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫結合起來,在設計人員利用隧道設計系統(tǒng)開展隧道設計的同時,系統(tǒng)自動根據(jù)工程人員錄入的地質及工程信息對經(jīng)驗庫進行檢索分析,并將分析結果作為隧道設計的基礎參數(shù),以指導隧道支護參數(shù)的選取,實現(xiàn)設計經(jīng)驗值向設計人員的智能化反饋。
數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)主要用來存儲既有工程項目的隧道設計經(jīng)驗數(shù)據(jù)[13]。工程經(jīng)驗庫存儲的設計參數(shù)包括工程位置、設計單位、設計時間、設計人員、地質、輪廓大小、施工工法及對應的支護參數(shù)。其中,工程位置包括工程坐標及行政區(qū)域;地質包括是否淺埋、圍巖類型(土質或石質)、圍巖巖性(如花崗巖、閃長巖、泥巖、砂巖等)、圍巖等級、地質概況、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、單側壁法及雙側壁法等;支護參數(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、初期支護厚度、初期支護混凝土規(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、拱墻預留變形量、仰拱預留變形量及鋼筋網(wǎng)規(guī)格等。
為了提高經(jīng)驗數(shù)據(jù)的準確性,經(jīng)驗庫中儲存的經(jīng)驗參數(shù)較多。為便于存儲、檢索和管理,數(shù)據(jù)庫中經(jīng)驗數(shù)據(jù)根據(jù)其類別共分3個表單,分別是工程信息、支護類型設計、類型支護參數(shù)。3個表單之間的數(shù)據(jù)關系如圖1所示。3個表單樣式分別如表1—3所示。表單中的GUID是由計算機生成的唯一標識符,用于標識項目的唯一性,是串聯(lián)3個表格關系的唯一參數(shù)。表1中的一條數(shù)據(jù)+表2中對應的數(shù)據(jù)(表2:GUID==表1:GUID)+表3中對應的數(shù)據(jù)(表3:GUID==表2:GUID&&表3:支護類型==表2:支護類型)聯(lián)合形成一條經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
圖1 工程信息、支護類型設計及類型支護參數(shù)關系圖Fig.1 Relationship among project information,support type and support parameters
隧道設計系統(tǒng)主要包括平縱設計和通用圖設計[14]2個模塊。平縱設計和通用圖設計軟件界面分別如圖2和圖3所示。
表1 工程信息Table 1 Engineering information
表2 支護類型設計Table 2 Design of support types
表3 類型支護參數(shù)Table 3 Parameters of support
圖2 隧道平縱設計軟件界面Fig.2 Software interface for tunnel horizontal and longitudinal design
圖3 隧道通用圖設計軟件界面Fig.3 Software interface for tunnel general drawing design
通用圖設計系統(tǒng)按設計流程分為設計參數(shù)錄入、工程經(jīng)驗設計及繪制通用圖3個子模塊。工程經(jīng)驗設計子模塊界面如圖4所示。通用圖設計流程如圖5所示。首先,在設計參數(shù)錄入子模塊錄入本項目的工程標準,包括內輪廓參數(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)驗設計子模塊確定支護類型及其對應的地質情況,并結合設計經(jīng)驗庫確定支護參數(shù);最后,根據(jù)工程經(jīng)驗設計子模塊中確定的支護參數(shù)并利用繪制通用圖子模塊繪制隧道通用圖。在工程經(jīng)驗設計子模塊,用戶需設定相應的分析條件,系統(tǒng)根據(jù)用戶設定的控制條件自動分析獲取經(jīng)驗庫推薦的支護參數(shù);在此基礎上,設計人員可根據(jù)實際情況進行相應調整。
圖4 工程經(jīng)驗設計子模塊界面Fig.4 Interface for engineering empirical design
圖5 通用圖設計流程Fig.5 Design process of tunnel general drawing
平縱設計系統(tǒng)按設計流程及功能分為8個模塊,即繪制縱斷面、節(jié)段設計、橫通道調整、圖紙數(shù)據(jù)同步、輔助設計、表格統(tǒng)計、繪制平面及存儲數(shù)據(jù)庫。平縱設計流程如圖6所示。首先,根據(jù)在繪制縱斷面模塊的縱斷面參數(shù)中錄入的工程基礎資料(緯地數(shù)據(jù)、工程信息、地質及其他),結合《公路隧道設計規(guī)范》、工程經(jīng)驗庫及通用圖設計模塊緩存的支護參數(shù)進行自動設計;然后,利用系統(tǒng)的面向對象修改模塊(節(jié)段設計和橫通道調整等模塊)修改設計成果,并可根據(jù)復審意見及施工變更需求對設計成果進行反復調整。信息化設計數(shù)據(jù)將根據(jù)最新的設計成果進行同步更新,并通過數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng)緩存至本地計算機,工程建設完成后,方可將設計數(shù)據(jù)作為最終成果上傳至數(shù)據(jù)庫,作為工程經(jīng)驗的基礎數(shù)據(jù)。
圖6 隧道平縱設計流程Fig.6 Process of tunnel horizontal and longitudinal design
結構化設計數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng)可對設計人員的中間成果進行臨時存儲,設計數(shù)據(jù)選擇JSON格式作為數(shù)據(jù)存儲格式。在設計階段,設計人員可在本地計算機在不同時刻對設計成果進行多次更改,設計數(shù)據(jù)與設計圖紙可實現(xiàn)相互轉化,使設計的靈活性及數(shù)據(jù)的可移植性得到提高。同時,JSON作為前后端數(shù)據(jù)交互的一種標準格式,可實現(xiàn)前端設計系統(tǒng)與后端數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實時交互。施工階段若發(fā)生設計變更,用戶需根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)對設計階段的設計成果進行更改,得到最終的JSON格式設計數(shù)據(jù)并上傳至隧道設計經(jīng)驗庫。
支護參數(shù)JSON格式數(shù)據(jù)類型如下。
{
"Z5a":{
"內輪廓類別":"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",
"初期支護厚度":"0.22",
"拱墻預留變形量":"0.20",
"內輪廓參數(shù)":{
"頂圓半徑":"5.31",
"側圓半徑":"8.0",
"下圓半徑":"15.0",
……
},
……
},
……
}
經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可根據(jù)用戶提供的分析條件及設計基礎資料自動檢索隧道經(jīng)驗庫設計數(shù)據(jù),并根據(jù)分析條件中設定的邏輯算法及系統(tǒng)內置的分析邏輯計算相應的支護參數(shù),然后將其反饋給設計人員。
隧道信息化設計體系數(shù)據(jù)交互主要包括前端隧道設計和后端數(shù)據(jù)處理2個板塊。
3.1.1 前端隧道設計
前端隧道設計通過實現(xiàn)與設計人員的人機交互生成對應的施工圖,并支持設計或建設過程中支護參數(shù)的調整和設計圖紙的變更。前端隧道設計流程如圖7所示。
圖7 前端隧道設計流程Fig.7 Flowchart of front-end tunnel design
3.1.2 后端數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)庫是一種結構化存儲和管理數(shù)據(jù)的共享倉庫,通過與用戶的交互共享,可實現(xiàn)隧道設計經(jīng)驗庫中數(shù)據(jù)的自我豐富。
為提高用戶使用的便利性,通過在本地計算機增加設計數(shù)據(jù)臨存系統(tǒng),將其作為中間設計成果的緩存空間,不僅可以實現(xiàn)隧道設計系統(tǒng)的離線操作,還可以通過在臨存系統(tǒng)與經(jīng)驗庫之間建立相應的數(shù)據(jù)審核機制,有效保證經(jīng)驗庫數(shù)據(jù)的安全性及準確性。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
隧道設計經(jīng)驗庫是整個隧道信息化設計體系能夠正常運轉的核心動力,需要大量真實可信的設計數(shù)據(jù)進行充實和豐富,同時要保證經(jīng)驗庫的數(shù)據(jù)準確性和可修改性。為此,隧道設計經(jīng)驗庫提供了2個數(shù)據(jù)錄入端口,即隧道設計系統(tǒng)錄入接口和面向全行業(yè)收集隧道經(jīng)驗數(shù)據(jù)的Excel錄入接口。隧道信息化設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉過程如圖9所示。
圖9 隧道信息化設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉過程Fig.9 Data processing of tunnel informatized design system
經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析之前,用戶可設定的分析條件主要包括輪廓最大偏差、地質概況關鍵詞、參考設計單位、巖性和巖性匹配方式。巖性匹配共分3種:全、半、無,對應的關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)驗數(shù)據(jù)分析的準確性,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合式襯砌支護,單個支護構件不能體現(xiàn)結構的整體支撐能力,需要對所有支護構件的綜合支護參數(shù)進行對比研究。支護參數(shù)分為以值度量和以規(guī)格度量2種類型,用計算機語言描述分別為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、拱墻預留變形量和仰拱預留變形量等支護參數(shù)類型均為double值。按照行業(yè)設計習慣,double值類型的支護參數(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)則進行加強處理。
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、初期支護混凝土規(guī)格、鋼架型號、錨桿型號等支護參數(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。
根據(jù)復合式襯砌設計理念可知,二次襯砌主要作為結構安全儲備。初期支護主要由初期支護混凝土、鋼架和錨桿組成,并結合圍巖的自承能力共同組成支護系統(tǒng),是復合式襯砌的主要承力系統(tǒng),也是經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析算法的首要考慮因素。
滿足分析條件的隧道設計經(jīng)驗數(shù)據(jù)較多,反饋給設計人員的支護參數(shù)值具有唯一性。系統(tǒng)首先按照設定的分析條件得到適合當前結構適用條件的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,再根據(jù)支護參數(shù)分析邏輯(見圖10)對所有的設計數(shù)據(jù)進行相應的分析和提取。圖10中,“占比最多”指某個特征參數(shù)值在滿足條件的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合中使用頻率最高。
支護參數(shù)分析邏輯主要包括以下幾個步驟:
1)計算二次襯砌厚度及初期支護厚度。按占比最多的原則計算參數(shù)推薦值,并剔除與推薦值不同的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
2)計算錨桿型號、鋼筋網(wǎng)規(guī)格。基于步驟1)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,按占比最多的原則計算錨桿型號及鋼筋網(wǎng)規(guī)格推薦值,并計算對應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)驗數(shù)據(jù)。
3)計算錨桿長度、錨桿環(huán)向間距?;诓襟E2)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合計算平均錨桿長度,將其作為初期支護錨桿長度的推薦值,并按占比最多的原則計算錨桿環(huán)向間距推薦值。錨桿長度代表初期支護作用半徑,是圍巖自承能力的重要體現(xiàn)。
4)計算鋼架型號、鋼架間距?;诓襟E1)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,按占比最多的原則計算鋼架型號及對應的鋼架間距推薦值,并剔除與推薦值不同的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
5)基于步驟4)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,按占比最多的原則計算鋼架間距與對應的錨桿縱向間距比例p。
6)計算錨桿縱向間距。基于步驟4)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合和鋼架間距及步驟5)得到的p值,計算錨桿縱向間距推薦值。
7)人工調整錨桿布置參數(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行綜合對比分析,并將分析結果反饋給設計人員進行人工確認或調整。
8)判斷是否需要設置仰拱、拱墻鋼筋及仰拱鋼筋?;诓襟E1)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,按占比最多的原則分析是否需要設置仰拱、拱墻鋼筋及仰拱鋼筋,并剔除與此原則不同的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
9)計算二次襯砌主筋規(guī)格和間距?;诓襟E8)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,按占比最多的原則計算鋼筋規(guī)格和對應的縱向間距推薦值。
10)計算箍筋和縱筋規(guī)格及間距?;诓襟E9)得到的經(jīng)驗數(shù)據(jù)集合,按占比最多的原則計算箍筋和縱筋規(guī)格及間距推薦值。
圖10 隧道設計系統(tǒng)的支護參數(shù)分析邏輯Fig.10 Analysis logic of supporting parameters in tunnel design system
川九路中田山隧道長488 m,內輪廓寬度為13 m,洞身圍巖類型主要為鈣質砂巖及砂質板巖,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計系統(tǒng)開展隧道設計,主要步驟如下:
1)根據(jù)地勘資料,梳理中田山隧道的內輪廓參數(shù)及對應的地質類型,地質類型主要包括地質概況、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)的基礎上,利用隧道通用圖設計系統(tǒng)對每種內輪廓及對應的地質類型進行工程經(jīng)驗設計,采用兩臺階施工工法,合并具有相同支護參數(shù)的襯砌類型,得到本項目襯砌支護參數(shù)及對應的通用圖。
3)在隧道平縱設計系統(tǒng)中錄入相應的工程信息、洞口設計參數(shù)、地質參數(shù)、路線信息及其他輔助參數(shù)。隧道縱斷面設計基礎參數(shù)錄入界面如圖11所示。中田山隧道地質參數(shù)見表4。該設計系統(tǒng)結合工程經(jīng)驗庫及地質參數(shù)計算支護參數(shù)(計算方法同步驟2)),并與步驟2)得到的支護參數(shù)進行匹配,得到對應的襯砌支護類型。
4)根據(jù)工程實際情況調整設計,并輸出工程量表及其他關鍵信息。表5示出隧道信息化設計系統(tǒng)中得到的中田山隧道襯砌支護參數(shù)。K1+555~+605段系統(tǒng)推薦支護設計為A5q。根據(jù)地形及地勘資料顯示,此段圍巖穩(wěn)定性較差,且偏壓較嚴重,故將設計支護參數(shù)在A5q基礎上進行了加強。隧道實際施工時,開挖揭露A5襯砌支護段落裂隙較發(fā)育。為保證工程安全,錨桿長度由3.0 m變更為3.5 m,其余支護參數(shù)與原設計保持一致,施工完成后結構較穩(wěn)定。
圖11 隧道縱斷面設計基礎參數(shù)錄入界面Fig.11 Input of interface of route,geology,engineering information,and cave entrance parameters
表4 中田山隧道地質參數(shù)Table 4 Geological parameters of Zhongtianshan tunnel
表5 中田山隧道襯砌支護參數(shù)Table 5 Support parameters of Zhongtianshan tunnel
隧道信息化設計體系將隧道設計繪圖與工程經(jīng)驗法相結合,利用數(shù)據(jù)庫管理隧道設計數(shù)據(jù),并將此數(shù)據(jù)作為新建隧道的設計依據(jù),具有以下優(yōu)勢。
1)隧道信息化設計體系以隧道設計繪圖作為隧道經(jīng)驗庫數(shù)據(jù)的錄入端口,為經(jīng)驗數(shù)據(jù)的不斷豐富奠定堅實的基礎。
2)利用此體系通過施工數(shù)據(jù)調整支護參數(shù)及設計圖紙,可充分保證經(jīng)驗庫中支護參數(shù)的可靠性。
3)該設計系統(tǒng)支持選擇不同設計單位的經(jīng)驗設計數(shù)據(jù)作為設計依據(jù),可較好地控制分析結果的質量及有效性。
4)實現(xiàn)設計過程中隧道支護參數(shù)的自動反饋,可極大提高隧道的設計效率,為支護參數(shù)的合理性提供強有力的依據(jù)。
本文提出的隧道信息化設計體系適用于采用工程經(jīng)驗法設計的隧道項目,其考慮了圍巖等級、巖性、圍巖類型、大變形、瓦斯及巖爆等地質參數(shù)對隧道支護參數(shù)的影響,但在節(jié)理、裂隙及其他特殊地質情況下的程序分析邏輯較復雜,需要更完善的地質資料、更系統(tǒng)的地質參數(shù)表達及更成熟的地質分析邏輯。本文提出的設計體系對特殊地質的分析邏輯還比較欠缺,若存在系統(tǒng)未考慮的地質因素,需要設計人員通過人工干預的方式根據(jù)實際情況調整支護參數(shù)。