关于隧道工程的动态设计与信息化的施工探究

刘程铖

【摘要】伴随大量隧道及地下工程的出现，隧道工程的理论和方法不断地进步，以及科学技术的不断发展，工程建设中，人们逐渐认识到，工程地质勘察、设计和施工形成系统化、信息化一体的思想非常重要。传统的隧道工程建设方法是地质勘察为设计提供资料，设计仅为施工提供设计结果，不参与施工过程，造成工程地质勘察、设计与施工脱节，其结果是工程事故、工程质量问题及工程造价的提高。现代的理论和方法认为，隧道工程建设中，应该在施工前、后及过程中不断注意地质条件与施工状况信息的收集，及时地反馈到设计并指导施工，达到工程建设优化的目的，由此引入了信息化设计与施工理论和方法。若把传统隧道设计施工方法比为静态方法，则信息化设计与施工方法为动态方法。

【关键词】隧道工程；动态设计；信息化

一、信息化设计与施工的基本思路

工程建设中，信息化设计与施工是一个新颖的发展方向，也是未来工程建设将采取的主要方法之一，其具有方便、简单、快捷、适用等优点。信息化设计与施工在隧道中应用的基本原理是：利用初步勘察得到地质资料，采取数值模拟技术、理论计算和经验类比方法确定初步的设计方案，通过施工现场监测获得地质资料、围岩力学动态、支护工作状态的有关数据以及施工技术状态（信息），再采取多种手段对这些数据进行整理与力学分析，来判断围岩及支护结构体系的稳定性和工作状态，反馈于设计与施工，从而选择和修正开挖、支护参数，使隧道的建设达到优化。信息化设计与施工的核心是信息的采集、整理和反馈。

隧道的信息化设计与施工思路可以概括为图1。与地面工程不同的是，在隧道的设计与施工过程中，勘察、设计、施工等环节允许有交叉、反复。在初步地质调查的基础上，根据数值模拟分析、经验或力学计算进行预设计，初步选定支护参数；然后，在施工过程中根据监测得到关于围岩稳定性和支护力学、工作状态的信息，对初步设计和施工过程进行调整。大量的工程实践表明，对设计和施工所作的调整和修正十分必要。

在隧道的设计与施工中经历了近半个世纪发展的“新奥法”核心就在于把围岩看作是支护结构的重要组成部分，并通过监控量测，采取合理的设计与施工，有效地调节围岩变形，以最大限度地发挥围岩的自承作用。信息化设计与施工是建立在新奥法的思路之上，新奥法三大准则之一的现场监测同信息化设计与施工的信息采集、分析和反馈有相似之处，可以说信息化设计与施工是新奥法在现阶段的发展与完善。两者的主要区别在于信息化设计与施工应用了大量的现代信息工具和手段，如利用先进的计算机方法进行数值模拟、数据处理，因此在信息的获得与处理、反馈途径等方面讲究多渠道、多手段；而新奥法则主要利用传统的量测工具进行数据的获得与反饋，信息的获取与反馈途径比较单一。因而，隧道信息化设计与施工方法比过去的新奥法更优越。

图1信息化设计与施工流程图

然而信息化设计与施工方法在目前隧道工程中的应用并不广泛，除工程建设体制因素外，人们没有对此充分了解及重视也是一个重要因素。本论文的研究旨在使信息化设计与施工方法得到人们充分的重视及广泛的推广应用。

二、目前动态设计与信息化施工未落实的原因分析

2.1建设体制的影响

我国长期以来实施的建筑体制是设计与施工分离，各行业都分别组建了专门从事设计或施工的法人单位，同时在资质和行业准入方面进行严格的管理。现行建设体系和架构中，一般分为建设、监理、设计、施工四个主体。建设单位主要负责投融资和建设管理；监理作为建设单位的委托方主要审批施工组织设计，监管施工进度、质量和安全等；设计、施工单位由建设单位通过招标分别签订合同完成相应的设计、施工任务，设计方提供施工图，施工方按设计图纸施工，两个合同主体在以建设单位为中心的协调下完成工作，在管理阶段上也分列为规划设计和施工实施阶段。

在这样的合同体系和管理架构中，充分体现了建设单位的中心位置，但割裂了设计与施工的关系，二者在合同形式和内容上是分离的，之间没有彼此的约束关系，各方关注的利益和承担的风险不同。设计方与建设单位存在合同关系，关注设计本身效益和项目的投资效益，承担设计的风险，将提交图纸视为完成合同任务，施工阶段定位为从属和配合的位置，仅委派少量人员配合施工。施工方与建设单位存在合同关系，将图纸内容变为有形实体，承担施工中的风险，关注自身的成本和效益，追求的是自身经济利益的最大化。设计图对施工方而言被视为合同内容，施工方以施工图作为依据编制施工组织设计并组织实施，设计方一般不介入施工组织设计。

这样的建筑体制显然不利于隧道工程的动态设计和动态施工，也不利于发挥施工方自身经验的优势，尤其不利于新技术、新材料、新设备和新工艺的推广应用。许多业内人士提出体制的弊病，但改变仍有相当长的一段路。一些工程已经开始走设计和施工一体化的道路，提出设计和施工总承包模式，但长期以来形成的惯性思维使得效果还不明显，促进它们的融合还需做较多的工作。

2.2动态设计和信息化施工的体系没有有效形成

动态设计和信息化施工是有机整体，由于目前设计和施工分离，使得动态设计和信息化施工的体系没有有效形成。首先，行业及建设惯例没有要求或促动设计方建立对应的动态设计体系，一般对预设计期盼过高；期盼预设计可以包络施工中的各种状况，体现了重施工图、轻后期的状况，设计也没有建立起符合动态设计的计算模式和分析方法。其次，各方对动态设计、动态施工中相应承担的内容比较模糊，也难以分割清楚；如对前面谈到的围岩，其既是作用在隧道结构上的荷载，又是成洞的支护载体，与支护形成一个完整的支护体系；实施中理想状况是形成支护，不利的状况则转化为荷载，这些状况又不是设计一厢情愿所能约束的；依靠施工方对围岩的开挖支护的有效控制去实现设计意图，实践性较强，若控制不力，则需采取有效应对措施，而应对措施有可能调整支护参数或调整施工方法及工艺来达到目的，这体现了它们之间的不可分割。

2.3评价机制的影响

由于建筑体制中设计与施工的分离，各行业也相应分开分别进行评价。对优秀设计颁发优秀设计奖，对施工的优质工程颁发优质工程奖等。评奖对行业进步是一个促进作用，各方都希望获奖来提高自己的行业知名度和业绩。但相对隧道工程，这样的评价机制并不利于开展动态设计和信息化施工。如对设计的评价重点在施工图，施工图拟合程度高、变更少是评选优秀设计的条件之一，但动态设计被视为变更，意味变更增加，必然降低与预设计的拟合程度。设计方没有动力和积极性去否定、修正自己的原设计，一般尽量维持原设计，力求静态，即使有一些问题，也不希望被改变。优质工程奖尽管对设计也有要求，但主要还是针对施工方的，对设计方影响有限。

三、动态设计与信息化施工建议

3.1管理机制上促进设计和施工一体化

根据隧道工程特点，可以参照工业化生产模式，让设计和施工融为一体或促使设计、施工一体化，形成合力共同完成隧道这个产品。设计不仅仅关注功能和结构，也介入施工实施，在理论和技术方面提供全面支持，施工方不仅仅关注施工实施，也延伸到设计中，全面了解产品状况，从实施的角度优化设计，关注性价比和投资效益。如实施工程设计和施工总承包，业主将项目的设计和施工合在一起发包，让设计和施工方捆绑在一起，各方的利益和风险一致，促使设计和施工融合在一起，在工艺和技术上相互协调，理论与实践更好地结合，共同应对隧道风险，更好地完成任务。 3.2促进建立动态设计和信息化施工体系

针对动态设计和信息化施工体系欠缺的状况，建议行业制定指南文件，贯彻动态设计和信息化施工理念，指导规范动态设计和信息化施工的行为。动态设计意味着设计涵盖施工全过程，需要考虑地质环境的变化、施工方法及支护、措施调整，并充分考虑施工工艺及施工状况等。为有效实施动态设计，从管理阶段划分上将施工图设计与施工实施放在一起，设计计费也重新考虑，将动态设计列入施工图设计中。设计单位建立起符合动态设计的计算模式和分析方法，应施工需要随时进行反分析，掌握隧道状态。对调整支护参数或调整施工方法及工艺都可以达到目的的情况进行综合评估，以确定方案。

3.3建立综合、整体评价体系

目前隧道和地下工程尚有许多问题有待研究，设计理念是将地下工程的复杂性简单化。为实现这一目标，设计、计算、施工技术的发展必须走信息化动态反馈的道路。隧道和地下工程设计应体现为最优规划的实施而进行安全性、经济性、使用性的研究，并将成果转化为建设方案、支护结构设计、施工方法等内容。为此，宜建立对项目的投资效率和效益的整体、综合评价机制。激励设计单位实施动态设计，促进设计和施工单位融合，减少事故发生，提高投资效率和效益，推动新技术、新材料、新设备和新工艺的推广应用。

四、信息化设计与施工研究的意义

目前我国设计部门设计隧道时，在套用规范的基础上，仍以过大地增加设计安全系数的方法来弥补对隧道受力与变形机理了解的不足，这样造成隧道造价普遍过高的现象。而国外对于隧道的受力机理、施工方法研究进行较早，有代表性的是英法海峡隧道。由于隧道围岩结构与岩性的千差万别、复杂多变，研究的前提与施工工艺关系密切。目前国内有科研單位对隧道的结构受力作过平面有限元分析，但涉及到信息化设计与施工的整体内容，如优化方案与方法、现场监测与信息反馈等较为少见。因而对于隧道结构稳定性条件、受力变化与施工方法的关系仍需深入探讨。

由于隧道是一种隐蔽性的工程，隧道修建过程中有大量不确定因素存在，导致隧道出现事故的情况时有发生。隧道工程事故的出现，大部分都是由于隧道穿越的地质条件变化，而设计和施工单位没能很好的配合造成的，如果采用信息化设计和施工，很多工程事故都可以避免。

我国修建公路隧道的基本方法有钻爆法、全断面掘进法、盾构法和沉管法，少数隧道采用了掘进机法。目前，国外发达国家隧道多采用掘进机施工，而国内基本都为钻爆法施工，两者施工方案与方法相差甚远。在复杂地层中钻爆法对围岩不稳定影响远大于掘进机法，故对采用钻爆法施工的隧道进行信息化设计与施工研究更为重要。

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