高速公路隧道建設(shè)中信息化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

摘#8195;要在當(dāng)前我國高速公路隧道的建設(shè)當(dāng)中，信息化技術(shù)無疑是隧道工程發(fā)展的全新方向，這其中包括隧道的動態(tài)設(shè)計(jì)、信息化管理以及施工信息化等方面內(nèi)容，運(yùn)用便捷、適用性強(qiáng)，是未來高速公路隧道建設(shè)的主要方法之一。本文從公路隧道信息化設(shè)計(jì)與施工的基本思路入手，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場檢測等獲得信息的手段，對信息化設(shè)計(jì)在公路隧道中的過程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能給高速公路隧道建設(shè)帶來一定幫助。

關(guān)鍵詞公路隧道；信息化技術(shù)；動態(tài)設(shè)計(jì)

中圖分類號U455文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1673-9671-(2012)041-0172-02

隨著隧道工程理論體系的不斷豐富，我國公路隧道建設(shè)的前進(jìn)步伐越來越快，同時也形成了以勘察、設(shè)計(jì)與施工為工程核心內(nèi)容的主流思想，在傳統(tǒng)模式下，地質(zhì)勘察工作不直接參與工程的設(shè)計(jì)和施工，其作用僅僅是為設(shè)計(jì)工作提供大量的工程環(huán)境信息，這導(dǎo)致了工程的勘察、設(shè)計(jì)和施工三方面工作脫節(jié)，直接損害了工程的經(jīng)濟(jì)效益，甚至還因?yàn)橘|(zhì)量安全問題引發(fā)了一系列的工程事故，對工程的順利開展造成了極多不便。為此，現(xiàn)代的理論研究結(jié)果表明，在公路隧道建設(shè)中應(yīng)該應(yīng)用信息化的設(shè)計(jì)技術(shù)，在工程施工的全過程中時刻掌握監(jiān)測工作的布置、工程資料的收集和更新，并在第一時間反映到設(shè)計(jì)當(dāng)中，優(yōu)化工程建設(shè)。

1信息化設(shè)計(jì)研究的意義

近幾年來，由于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及交通需要，高速公路隧道工程的開展如火如荼，我國在針對公路隧道設(shè)計(jì)時，在套用規(guī)范的基礎(chǔ)上，仍然依據(jù)加大設(shè)計(jì)安全系數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)對隧道受力與變形的控制，這就導(dǎo)致了隧道造價普遍過高的現(xiàn)象。公路隧道設(shè)計(jì)作為工程實(shí)施的基礎(chǔ)條件，對整個公路隧道系統(tǒng)以及周邊建筑環(huán)境都有著重要的意義和影響，并在總體的規(guī)劃目標(biāo)、線狀工程平面定位及豎向標(biāo)高定位等方面給其他的專業(yè)設(shè)計(jì)提供了正確的引導(dǎo)。考慮到隧道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與多變性，因此在研究時不得不在施工工藝方面謹(jǐn)慎考慮，從而涉及到信息化設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容，在此方面，關(guān)于優(yōu)化方案、現(xiàn)場監(jiān)測與信息反饋等較為少見，這就間接體現(xiàn)了公路隧道建設(shè)在信息化技術(shù)上存在的

不足。

由于公路隧道工程的隱蔽性較強(qiáng)，修建過程中存在著大量的不確定因素，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)事故的情況時有發(fā)生。在理論上分析，由于公路隧道橫斷面在工程中所表現(xiàn)的特殊性，因此，在很大程度上，信息化的設(shè)計(jì)給公路隧道工程帶來了一定的時代挑戰(zhàn)意義，而信息化技術(shù)在施工中的應(yīng)用無疑決定著信息設(shè)計(jì)的優(yōu)劣與否，它一方面對公路隧道的施工產(chǎn)生影響，另一方面也決定著隧道的設(shè)計(jì)方案。所以說，根據(jù)功力隧道工程的現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)與資料，建立一套系統(tǒng)、方便實(shí)用的隧道圍巖參數(shù)位移反演方法和圍巖結(jié)構(gòu)支護(hù)數(shù)值模擬分析方法，勢必有利于公路隧道建設(shè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，對公路隧道工程的設(shè)計(jì)將會有非常好的借鑒與指導(dǎo)意義。

2信息化設(shè)計(jì)的基本原理

高速公路隧道工程是國家建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，直接關(guān)系到國民生計(jì)，社會責(zé)任不可謂不大，其建設(shè)規(guī)模大、投資多、周期長，參與建設(shè)單位間的關(guān)系復(fù)雜，給工程的設(shè)計(jì)與施工工作帶來了很多難題。信息的收集、整理和反饋是信息化設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。在高速公路隧道建設(shè)過程中，工作人員結(jié)合最初的地質(zhì)勘探資料，通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取圍巖力學(xué)、支護(hù)工作以及施工技術(shù)等相關(guān)信息，再利用數(shù)值模擬、理論計(jì)算等信息技術(shù)最終明確設(shè)計(jì)方案，并多方位地對獲得的信息實(shí)施整理和分析，以此判斷圍巖和支護(hù)設(shè)施的工作狀態(tài)以及穩(wěn)定性能，再反饋到設(shè)計(jì)與施工內(nèi)容中去，優(yōu)化和改進(jìn)隧道建設(shè)任務(wù)，并保證隧道在今后的運(yùn)營使用中投入監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行安全判定，以滿足隧道安全運(yùn)營的目標(biāo)。

同其他的地面工程相比較，公路隧道工程的差異在于，它允許地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、施工等工作在工程設(shè)計(jì)與施工階段交叉進(jìn)行。在對施工場地地質(zhì)調(diào)查工作結(jié)束后，它按照數(shù)值模擬分析或施工經(jīng)驗(yàn)開展預(yù)設(shè)計(jì)工作，并初步確定支護(hù)系數(shù)；緊接著，再根據(jù)監(jiān)測所得信息，對設(shè)計(jì)和預(yù)設(shè)施工計(jì)劃實(shí)施調(diào)整和修正。與傳統(tǒng)模式下的“新奧法”想必，信息化設(shè)計(jì)與施工的不同之處在于它大量地使用了現(xiàn)代信息技術(shù)，比如電腦軟件模擬、數(shù)據(jù)更新等信息化手段；而“新奧法”在反饋數(shù)據(jù)時，多數(shù)使用的是傳統(tǒng)的量測工具。由此可見，在公路隧道建設(shè)中，信息化的設(shè)計(jì)無疑是新時代的一大趨勢，也是未來工程所要采用的主要手段之一。

3信息化設(shè)計(jì)在施工中的應(yīng)用

3.1數(shù)值模擬技術(shù)

隨著電子信息時代的到來，計(jì)算機(jī)在全球范圍內(nèi)的使用越來越廣，這也推動了工程數(shù)值模擬理論方法的迅猛發(fā)展，這一階段，數(shù)值模擬技術(shù)也不斷成熟，其優(yōu)點(diǎn)是可以對施工環(huán)境下的復(fù)雜地質(zhì)條件（介質(zhì)的非均質(zhì)特性、不連續(xù)性和各向異性等因素）進(jìn)行綜合考慮。其應(yīng)用步驟大抵可以分為四個階段，即工程地質(zhì)調(diào)研階段、概念模型抽取階段、力學(xué)模型建立階段、數(shù)值計(jì)算以及結(jié)果檢驗(yàn)階段。數(shù)值模擬技術(shù)可以將工程結(jié)構(gòu)同巖土整合起來并建立理論模型，通過“仿真試驗(yàn)”獲取最佳設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)前工程領(lǐng)域研究巖土?xí)r基本上采用的方法是有限元法（Finite Element Method），這種方法對工程的適應(yīng)能力強(qiáng)，不但可以處理理想模型，還能對非線性體、非均勻體以及復(fù)雜的邊界問題進(jìn)行建模求解，可以說是一種效率非常高的方法，在經(jīng)歷了將近六十年的發(fā)展，有限單元技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在巖土工程的每個領(lǐng)域都獲得了大量的使用。但不得不說的是，在針對工程巖體力學(xué)問題上，一般的數(shù)值模擬技術(shù)往往會比其他方法復(fù)雜很多，在這種情況下，研究一種新的簡單可行的數(shù)值方法就成為了學(xué)術(shù)領(lǐng)域迫切要研究的重點(diǎn)課題。

在公路隧道施工階段，對于巖土地質(zhì)變形而導(dǎo)致土層規(guī)律發(fā)生變化時，及時修改施工方案無疑是重要手段之一，在這種土質(zhì)變化的不確定性因素下，數(shù)值模擬技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能僅靠簡單的運(yùn)算就能解決所面臨的問題，它更多地是要進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查，到室內(nèi)試驗(yàn)研究、計(jì)算模擬、地質(zhì)力學(xué)模型抽取以及野外驗(yàn)證的全過程，在很大程度上，其準(zhǔn)確性與可靠性都決定了工程對地質(zhì)認(rèn)識的正確性。

3.2監(jiān)測技術(shù)

作為信息化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性內(nèi)容，信息的獲得無疑至關(guān)重要，而獲得信息的主要手段就是監(jiān)測技術(shù)。一般而言，通過地質(zhì)勘察所得到的資料我們可以初步確定設(shè)計(jì)和施工方案，進(jìn)而在施工過程中根據(jù)工程地質(zhì)、施工方法等內(nèi)容，開展反饋分析等工作，修正初步設(shè)計(jì)方案和施工方法，以保證工程按照最優(yōu)的設(shè)計(jì)與施工方案進(jìn)行。因此，監(jiān)控工作的重要性也就顯而易見了。

針對我國隧道建設(shè)中的一些不安全因素，如圍巖變形致使襯砌開裂、隧道塌方、隧道滲水等不利于工程實(shí)施的一系列現(xiàn)象，對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了重大損失。監(jiān)測技術(shù)在工程施工上的應(yīng)用能夠很好的解決此類問題，它不但可以很好地掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用測量數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)進(jìn)行整改，并指導(dǎo)施工作業(yè)；還可以預(yù)見事故風(fēng)險(xiǎn)，采取一系列的事前措施，給隧道的安全施工提供信息，將工程的事故突發(fā)率降至最低；在分析處理量測數(shù)據(jù)后，通過反饋上來的信息，可以很好地保障施工環(huán)境的安全與穩(wěn)定；另外，通過積累相關(guān)的工程資料，也可以作為以后相似工程的實(shí)施的重點(diǎn)依據(jù)。

現(xiàn)場監(jiān)測作為信息化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接左右著信息的來源渠道，可以毫不過分地說，監(jiān)控量測技術(shù)和儀器的好壞直接影響到信息化設(shè)計(jì)與施工的實(shí)施。它是監(jiān)督設(shè)計(jì)施工的法眼，是監(jiān)視圍巖狀態(tài)的有力手段，更是公路隧道建設(shè)中不可或缺的內(nèi)容?？偠灾?，現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容涵蓋了地質(zhì)與支護(hù)的現(xiàn)狀觀察、位移監(jiān)測、應(yīng)力與應(yīng)變監(jiān)測、圍巖擾動及彈性波測試、支護(hù)質(zhì)量檢查等等，至于具體的量測手段、工具和時間，要根據(jù)工程現(xiàn)場具體要求而設(shè)定。

3.3地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在公路隧道建設(shè)中可以有很多種體現(xiàn)手法，比如說硐探、物探、鉆探和地質(zhì)綜合判定等。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)是為了檢查清楚已開挖的水文地質(zhì)特征與前方地質(zhì)構(gòu)造特征，并適當(dāng)?shù)靥岢鲆恍┦┕ひ庖?，用以保障隧道的施工環(huán)境安全，盡可能地減少因支護(hù)不當(dāng)或地質(zhì)問題而引發(fā)的塌方，更好地為公路隧道建設(shè)提供服務(wù)。但是，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，物探技術(shù)越來越成熟，尤其是物探儀器設(shè)備的小型化、便攜化使得物探設(shè)備在隧道開挖有限的空間范圍內(nèi)進(jìn)行工作更加快捷迅速，使得配合開挖施工進(jìn)行實(shí)時超前預(yù)報(bào)成為可能。

4結(jié)束語

由上述可知，隧道工程本身具有一定特殊性和復(fù)雜性，因此，采取信息化設(shè)計(jì)與施工無疑是必要的，這種施工思路既可做到安全施工，也可帶來可觀的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。需要聲明的是，信息化設(shè)計(jì)與施工在我國尚處于起步階段，理論和實(shí)踐都需要更深一步的研究，通過數(shù)值模擬等技術(shù)進(jìn)行實(shí)施，這是該信息化設(shè)計(jì)在未來時間里的重要發(fā)展方向。

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