基于工程經驗法的山嶺公路隧道信息化設計體系研究及應用

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)

0 引言

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]對隧道圍巖穩定性分析及其判據進行了深入探討，通過利用無襯砌圍巖安全系數作為圍巖自穩的定量判據，提出了力學強度參數的優化思路；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調整方案進行了研究，探討了數值極限方法、經驗數據總結法及總安全系數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進行了系統性的研究。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據庫技術建立了隧道工程經驗庫，為工程經驗法提供數據支撐。例如：陳唯一[11]基于數據庫對工程經驗數據進行管理，并基于該工程經驗數據庫，結合隧道現場施工狀況開展了隧道動態設計；劉佳寶[12]開發了鐵路隧道結構設計系統，通過對大量隧道數據的研究，建立了鐵路隧道數據庫，利用圍巖特征曲線法計算了初期支護的安全系數，為設計及施工人員提供了參考。

上述學者利用數據庫技術建立經驗系統，只是將其作為一個搜索和分析庫供工程人員使用，而將數據庫技術與設計系統結合起來指導設計的應用研究還較少。因此，本文將數據庫與設計系統有機結合，形成隧道信息化設計系統。該系統可按照經驗法的設計思路實現新建隧道支護參數的自動分析和推送，為新建隧道設計提供數據支撐；并將新建隧道設計數據存儲在數據庫中，以實現數據庫的自我提升和完善，提高隧道的設計效率和質量。

1 常規工程經驗法在隧道設計中的應用

隧道圍巖壓力及支護參數主要受隧道規模、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、層理及裂隙節理發育狀況等。

隧道地質情況不確定性較大，且需考慮的影響因素較多，數值計算很難準確模擬工程的實際受力情況。常規的工程經驗法是指設計人員通過分析隧道支護參數影響因素，根據自身的設計經驗或查詢設計經驗庫來獲取既往類似成功案例的設計及施工數據，然后以此作為參考來確定當前隧道的支護參數，并根據現場施工時實際揭露的地質狀況及監控量測數據調整支護參數。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據作為參考，需采用荷載結構法或地層結構法通過計算確定支護參數。

2 隧道信息化設計體系組成

隧道信息化設計系統包括隧道設計系統(基于CAD平臺)、結構化設計數據本地臨存系統、數據庫存儲系統(隧道設計經驗庫)和經驗數據分析系統。其將常規的工程經驗法與基于CAD開發的隧道設計系統通過數據庫結合起來，在設計人員利用隧道設計系統開展隧道設計的同時，系統自動根據工程人員錄入的地質及工程信息對經驗庫進行檢索分析，并將分析結果作為隧道設計的基礎參數，以指導隧道支護參數的選取，實現設計經驗值向設計人員的智能化反饋。

2.1 數據庫存儲系統

數據庫存儲系統主要用來存儲既有工程項目的隧道設計經驗數據[13]。工程經驗庫存儲的設計參數包括工程位置、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。其中，工程位置包括工程坐標及行政區域；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；支護參數包括二次襯砌厚度、二次襯砌配筋方式、二次襯砌混凝土規格、初期支護厚度、初期支護混凝土規格、鋼架型號、鋼架間距、錨桿型號、錨桿長度、錨桿縱向間距、錨桿環向間距、拱墻預留變形量、仰拱預留變形量及鋼筋網規格等。

為了提高經驗數據的準確性，經驗庫中儲存的經驗參數較多。為便于存儲、檢索和管理，數據庫中經驗數據根據其類別共分3個表單，分別是工程信息、支護類型設計、類型支護參數。3個表單之間的數據關系如圖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3個表格關系的唯一參數。表1中的一條數據+表2中對應的數據(表2：GUID==表1：GUID)+表3中對應的數據(表3：GUID==表2：GUID&&表3：支護類型==表2：支護類型)聯合形成一條經驗數據。

圖1 工程信息、支護類型設計及類型支護參數關系圖Fig.1 Relationship among project information,support type and support parameters

2.2 隧道設計系統

隧道設計系統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

通用圖設計系統按設計流程分為設計參數錄入、工程經驗設計及繪制通用圖3個子模塊。工程經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，在設計參數錄入子模塊錄入本項目的工程標準，包括內輪廓參數、電纜溝參數、排水溝參數、路面參數及其他輔助參數；然后，通過工程經驗設計子模塊確定支護類型及其對應的地質情況，并結合設計經驗庫確定支護參數；最后，根據工程經驗設計子模塊中確定的支護參數并利用繪制通用圖子模塊繪制隧道通用圖。在工程經驗設計子模塊，用戶需設定相應的分析條件，系統根據用戶設定的控制條件自動分析獲取經驗庫推薦的支護參數；在此基礎上，設計人員可根據實際情況進行相應調整。

圖4 工程經驗設計子模塊界面Fig.4 Interface for engineering empirical design

圖5 通用圖設計流程Fig.5 Design process of tunnel general drawing

平縱設計系統按設計流程及功能分為8個模塊，即繪制縱斷面、節段設計、橫通道調整、圖紙數據同步、輔助設計、表格統計、繪制平面及存儲數據庫。平縱設計流程如圖6所示。首先，根據在繪制縱斷面模塊的縱斷面參數中錄入的工程基礎資料(緯地數據、工程信息、地質及其他)，結合《公路隧道設計規范》、工程經驗庫及通用圖設計模塊緩存的支護參數進行自動設計；然后，利用系統的面向對象修改模塊(節段設計和橫通道調整等模塊)修改設計成果，并可根據復審意見及施工變更需求對設計成果進行反復調整。信息化設計數據將根據最新的設計成果進行同步更新，并通過數據臨存系統緩存至本地計算機，工程建設完成后，方可將設計數據作為最終成果上傳至數據庫，作為工程經驗的基礎數據。

圖6 隧道平縱設計流程Fig.6 Process of tunnel horizontal and longitudinal design

2.3 數據臨存系統

結構化設計數據臨存系統可對設計人員的中間成果進行臨時存儲，設計數據選擇JSON格式作為數據存儲格式。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，設計數據與設計圖紙可實現相互轉化，使設計的靈活性及數據的可移植性得到提高。同時，JSON作為前后端數據交互的一種標準格式，可實現前端設計系統與后端數據庫存儲系統之間的數據實時交互。施工階段若發生設計變更，用戶需根據現場施工數據對設計階段的設計成果進行更改，得到最終的JSON格式設計數據并上傳至隧道設計經驗庫。

支護參數JSON格式數據類型如下。

{

"Z5a":{

"內輪廓類別":"Z",

"二次襯砌厚度":"0.55",

"二次襯砌環向鋼筋規格":"HRB400-22",

"二次襯砌環向鋼筋間距":"0.2",

"二次襯砌縱向鋼筋規格":"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"：{

"頂圓半徑":"5.31",

"側圓半徑"："8.0",

"下圓半徑":"15.0",

……

}，

……

},

……

}

2.4 經驗數據分析系統

經驗數據分析系統可根據用戶提供的分析條件及設計基礎資料自動檢索隧道經驗庫設計數據，并根據分析條件中設定的邏輯算法及系統內置的分析邏輯計算相應的支護參數，然后將其反饋給設計人員。

3 數據庫及其與隧道設計系統的數據流轉

3.1 數據流轉過程

隧道信息化設計體系數據交互主要包括前端隧道設計和后端數據處理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 后端數據處理

數據庫是一種結構化存儲和管理數據的共享倉庫，通過與用戶的交互共享，可實現隧道設計經驗庫中數據的自我豐富。

為提高用戶使用的便利性，通過在本地計算機增加設計數據臨存系統，將其作為中間設計成果的緩存空間，不僅可以實現隧道設計系統的離線操作，還可以通過在臨存系統與經驗庫之間建立相應的數據審核機制，有效保證經驗庫數據的安全性及準確性。后端數據處理流程如圖8所示。

圖8 后端數據處理流程Fig.8 Flowchart of back-end data processing

隧道設計經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據進行充實和豐富，同時要保證經驗庫的數據準確性和可修改性。為此，隧道設計經驗庫提供了2個數據錄入端口，即隧道設計系統錄入接口和面向全行業收集隧道經驗數據的Excel錄入接口。隧道信息化設計系統數據流轉過程如圖9所示。

圖9 隧道信息化設計系統數據流轉過程Fig.9 Data processing of tunnel informatized design system

3.2 經驗數據分析條件及其類型

經驗數據分析之前，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”代表數據分析不考慮巖性參數)。

為了保證經驗數據分析的準確性，提供的數據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進行對比研究。支護參數分為以值度量和以規格度量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、錨桿環向間距、拱墻預留變形量和仰拱預留變形量等支護參數類型均為double值。按照行業設計習慣，double值類型的支護參數均具有特征參數(例如：二次襯砌厚度特征參數一般為30、35、40、45 cm……)，參數按向上取特征值的規則進行加強處理。

2)枚舉值。二次襯砌環向鋼筋規格、二次襯砌縱向鋼筋規格、二次襯砌混凝土規格、初期支護混凝土規格、鋼架型號、錨桿型號等支護參數類型均為枚舉值，例如：混凝土規格的特征參數一般為C15、C20、C25、C30等。

3.3 經驗數據分析方法

根據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，是復合式襯砌的主要承力系統，也是經驗數據分析算法的首要考慮因素。

滿足分析條件的隧道設計經驗數據較多，反饋給設計人員的支護參數值具有唯一性。系統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驗數據集合，再根據支護參數分析邏輯(見圖10)對所有的設計數據進行相應的分析和提取。圖10中，“占比最多”指某個特征參數值在滿足條件的經驗數據集合中使用頻率最高。

支護參數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推薦值，并剔除與推薦值不同的工程經驗數據。

2)計算錨桿型號、鋼筋網規格。基于步驟1)得到的經驗數據集合，按占比最多的原則計算錨桿型號及鋼筋網規格推薦值，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驗數據。

3)計算錨桿長度、錨桿環向間距。基于步驟2)得到的經驗數據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。

4)計算鋼架型號、鋼架間距。基于步驟1)得到的經驗數據集合，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驗數據。

5)基于步驟4)得到的經驗數據集合，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)得到的經驗數據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。將步驟2)、3)、6)得到的錨桿參數與步驟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。基于步驟1)得到的經驗數據集合，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驗數據。

9)計算二次襯砌主筋規格和間距。基于步驟8)得到的經驗數據集合，按占比最多的原則計算鋼筋規格和對應的縱向間距推薦值。

10)計算箍筋和縱筋規格及間距。基于步驟9)得到的經驗數據集合，按占比最多的原則計算箍筋和縱筋規格及間距推薦值。

圖10 隧道設計系統的支護參數分析邏輯Fig.10 Analysis logic of supporting parameters in tunnel design system

4 工程應用

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開展隧道設計，主要步驟如下：

1)根據地勘資料，梳理中田山隧道的內輪廓參數及對應的地質類型，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對每種內輪廓及對應的地質類型進行工程經驗設計，采用兩臺階施工工法，合并具有相同支護參數的襯砌類型，得到本項目襯砌支護參數及對應的通用圖。

3)在隧道平縱設計系統中錄入相應的工程信息、洞口設計參數、地質參數、路線信息及其他輔助參數。隧道縱斷面設計基礎參數錄入界面如圖11所示。中田山隧道地質參數見表4。該設計系統結合工程經驗庫及地質參數計算支護參數(計算方法同步驟2))，并與步驟2)得到的支護參數進行匹配，得到對應的襯砌支護類型。

4)根據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中得到的中田山隧道襯砌支護參數。K1+555～+605段系統推薦支護設計為A5q。根據地形及地勘資料顯示，此段圍巖穩定性較差，且偏壓較嚴重，故將設計支護參數在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，其余支護參數與原設計保持一致，施工完成后結構較穩定。

圖11 隧道縱斷面設計基礎參數錄入界面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Table 4 Geological parameters of Zhongtianshan tunnel

表5 中田山隧道襯砌支護參數Table 5 Support parameters of Zhongtianshan tunnel

5 結論與建議

隧道信息化設計體系將隧道設計繪圖與工程經驗法相結合，利用數據庫管理隧道設計數據，并將此數據作為新建隧道的設計依據，具有以下優勢。

1)隧道信息化設計體系以隧道設計繪圖作為隧道經驗庫數據的錄入端口，為經驗數據的不斷豐富奠定堅實的基礎。

2)利用此體系通過施工數據調整支護參數及設計圖紙，可充分保證經驗庫中支護參數的可靠性。

3)該設計系統支持選擇不同設計單位的經驗設計數據作為設計依據，可較好地控制分析結果的質量及有效性。

4)實現設計過程中隧道支護參數的自動反饋，可極大提高隧道的設計效率，為支護參數的合理性提供強有力的依據。

本文提出的隧道信息化設計體系適用于采用工程經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對隧道支護參數的影響，但在節理、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、更系統的地質參數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實際情況調整支護參數。