孙中秋，袁 松，肖春红

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

山岭公路隧道设计属于山岭地下工程设计，地质条件可能伴随断裂带、裂隙、节理、构造应力及地下水等，隧道围岩状况具有较大的不确定性；同时，由于大多天然围岩力学性质存在各向异性，公路隧道理论设计所需的边界条件难以准确量化，数值计算所得结果可能与实际存在较大偏差，工程建设的可靠性难以保证。

JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》给出的隧道设计方法主要包括地层结构法、荷载结构法和工程经验法。明洞衬砌一般采用荷载结构法计算；复合式衬砌初期支护主要采用工程类比法设计，当考虑复合式衬砌中的二次衬砌承担围岩压力时，可采用地层结构法计算[1]。目前在隧道设计领域已有较多研究，例如：郑颖人等[2]对隧道围岩稳定性分析及其判据进行了深入探讨，通过利用无衬砌围岩安全系数作为围岩自稳的定量判据，提出了力学强度参数的优化思路；文献[3-7]分别对土体围岩压力、不同条件下的结构受力状况以及结构变形计算和支护参数调整方案进行了研究，探讨了数值极限方法、经验数据总结法及总安全系数法等在不同情况下的隧道设计应用方法，以期得到更接近实际情况的设计理论;文献[8-9]对复合式衬砌的支护参数进行了系统性的研究。研究表明，复杂地质条件下理论设计法的工程可靠度难以保证，工程经验法是山岭隧道的主要设计方法之一[10]。

目前已有部分学者基于数据库技术建立了隧道工程经验库，为工程经验法提供数据支撑。例如：陈唯一[11]基于数据库对工程经验数据进行管理，并基于该工程经验数据库，结合隧道现场施工状况开展了隧道动态设计；刘佳宝[12]开发了铁路隧道结构设计系统，通过对大量隧道数据的研究，建立了铁路隧道数据库，利用围岩特征曲线法计算了初期支护的安全系数，为设计及施工人员提供了参考。

上述学者利用数据库技术建立经验系统，只是将其作为一个搜索和分析库供工程人员使用，而将数据库技术与设计系统结合起来指导设计的应用研究还较少。因此，本文将数据库与设计系统有机结合，形成隧道信息化设计系统。该系统可按照经验法的设计思路实现新建隧道支护参数的自动分析和推送，为新建隧道设计提供数据支撑；并将新建隧道设计数据存储在数据库中，以实现数据库的自我提升和完善，提高隧道的设计效率和质量。

1 常规工程经验法在隧道设计中的应用

隧道围岩压力及支护参数主要受隧道规模、类型、尺寸、施工方案和工程地质条件等多个方面的影响。其中，影响工程地质条件的因素较多，主要包括区域构造应力、地层岩性、围岩等级、隧道埋深、地下水、断层破碎带、层理及裂隙节理发育状况等。

隧道地质情况不确定性较大，且需考虑的影响因素较多，数值计算很难准确模拟工程的实际受力情况。常规的工程经验法是指设计人员通过分析隧道支护参数影响因素，根据自身的设计经验或查询设计经验库来获取既往类似成功案例的设计及施工数据，然后以此作为参考来确定当前隧道的支护参数，并根据现场施工时实际揭露的地质状况及监控量测数据调整支护参数。针对特殊结构及特殊地质情况下的隧道设计，没有类似工程施工数据作为参考，需采用荷载结构法或地层结构法通过计算确定支护参数。

2 隧道信息化设计体系组成

隧道信息化设计系统包括隧道设计系统(基于CAD平台)、结构化设计数据本地临存系统、数据库存储系统(隧道设计经验库)和经验数据分析系统。其将常规的工程经验法与基于CAD开发的隧道设计系统通过数据库结合起来，在设计人员利用隧道设计系统开展隧道设计的同时，系统自动根据工程人员录入的地质及工程信息对经验库进行检索分析，并将分析结果作为隧道设计的基础参数，以指导隧道支护参数的选取，实现设计经验值向设计人员的智能化反馈。

2.1 数据库存储系统

数据库存储系统主要用来存储既有工程项目的隧道设计经验数据[13]。工程经验库存储的设计参数包括工程位置、设计单位、设计时间、设计人员、地质、轮廓大小、施工工法及对应的支护参数。其中，工程位置包括工程坐标及行政区域；地质包括是否浅埋、围岩类型(土质或石质)、围岩岩性(如花岗岩、闪长岩、泥岩、砂岩等)、围岩等级、地质概况、围岩大变形等级(高级、中级、初级或无)、岩爆等级(高级、中级、初级或无)、瓦斯等级(低瓦斯、高瓦斯、瓦斯突出或无)；轮廓大小包括内轮廓最大跨度和最大高度；施工工法包括全断面法、两台阶法、三台阶法、单侧壁法及双侧壁法等；支护参数包括二次衬砌厚度、二次衬砌配筋方式、二次衬砌混凝土规格、初期支护厚度、初期支护混凝土规格、钢架型号、钢架间距、锚杆型号、锚杆长度、锚杆纵向间距、锚杆环向间距、拱墙预留变形量、仰拱预留变形量及钢筋网规格等。

为了提高经验数据的准确性，经验库中储存的经验参数较多。为便于存储、检索和管理，数据库中经验数据根据其类别共分3个表单，分别是工程信息、支护类型设计、类型支护参数。3个表单之间的数据关系如图1所示。3个表单样式分别如表1—3所示。表单中的GUID是由计算机生成的唯一标识符，用于标识项目的唯一性，是串联3个表格关系的唯一参数。表1中的一条数据+表2中对应的数据(表2：GUID==表1：GUID)+表3中对应的数据(表3：GUID==表2：GUID&&表3：支护类型==表2：支护类型)联合形成一条经验数据。

图1 工程信息、支护类型设计及类型支护参数关系图Fig.1 Relationship among project information,support type and support parameters

2.2 隧道设计系统

隧道设计系统主要包括平纵设计和通用图设计[14]2个模块。平纵设计和通用图设计软件界面分别如图2和图3所示。

表1 工程信息Table 1 Engineering information

表2 支护类型设计Table 2 Design of support types

表3 类型支护参数Table 3 Parameters of support

图2 隧道平纵设计软件界面Fig.2 Software interface for tunnel horizontal and longitudinal design

图3 隧道通用图设计软件界面Fig.3 Software interface for tunnel general drawing design

通用图设计系统按设计流程分为设计参数录入、工程经验设计及绘制通用图3个子模块。工程经验设计子模块界面如图4所示。通用图设计流程如图5所示。首先，在设计参数录入子模块录入本项目的工程标准，包括内轮廓参数、电缆沟参数、排水沟参数、路面参数及其他辅助参数；然后，通过工程经验设计子模块确定支护类型及其对应的地质情况，并结合设计经验库确定支护参数；最后，根据工程经验设计子模块中确定的支护参数并利用绘制通用图子模块绘制隧道通用图。在工程经验设计子模块，用户需设定相应的分析条件，系统根据用户设定的控制条件自动分析获取经验库推荐的支护参数；在此基础上，设计人员可根据实际情况进行相应调整。

图4 工程经验设计子模块界面Fig.4 Interface for engineering empirical design

图5 通用图设计流程Fig.5 Design process of tunnel general drawing

平纵设计系统按设计流程及功能分为8个模块，即绘制纵断面、节段设计、横通道调整、图纸数据同步、辅助设计、表格统计、绘制平面及存储数据库。平纵设计流程如图6所示。首先，根据在绘制纵断面模块的纵断面参数中录入的工程基础资料(纬地数据、工程信息、地质及其他)，结合《公路隧道设计规范》、工程经验库及通用图设计模块缓存的支护参数进行自动设计；然后，利用系统的面向对象修改模块(节段设计和横通道调整等模块)修改设计成果，并可根据复审意见及施工变更需求对设计成果进行反复调整。信息化设计数据将根据最新的设计成果进行同步更新，并通过数据临存系统缓存至本地计算机，工程建设完成后，方可将设计数据作为最终成果上传至数据库，作为工程经验的基础数据。

图6 隧道平纵设计流程Fig.6 Process of tunnel horizontal and longitudinal design

2.3 数据临存系统

结构化设计数据临存系统可对设计人员的中间成果进行临时存储，设计数据选择JSON格式作为数据存储格式。在设计阶段，设计人员可在本地计算机在不同时刻对设计成果进行多次更改，设计数据与设计图纸可实现相互转化，使设计的灵活性及数据的可移植性得到提高。同时，JSON作为前后端数据交互的一种标准格式，可实现前端设计系统与后端数据库存储系统之间的数据实时交互。施工阶段若发生设计变更，用户需根据现场施工数据对设计阶段的设计成果进行更改，得到最终的JSON格式设计数据并上传至隧道设计经验库。

支护参数JSON格式数据类型如下。

{

"Z5a":{

"内轮廓类别":"Z",

"二次衬砌厚度":"0.55",

"二次衬砌环向钢筋规格":"HRB400-22",

"二次衬砌环向钢筋间距":"0.2",

"二次衬砌纵向钢筋规格":"HRB400-12",

"二次衬砌纵向钢筋间距":"0.2",

"初期支护厚度":"0.22",

"拱墙预留变形量":"0.20",

"内轮廓参数"：{

"顶圆半径":"5.31",

"侧圆半径"："8.0",

"下圆半径":"15.0",

……

}，

……

},

……

}

2.4 经验数据分析系统

经验数据分析系统可根据用户提供的分析条件及设计基础资料自动检索隧道经验库设计数据，并根据分析条件中设定的逻辑算法及系统内置的分析逻辑计算相应的支护参数，然后将其反馈给设计人员。

3 数据库及其与隧道设计系统的数据流转

3.1 数据流转过程

隧道信息化设计体系数据交互主要包括前端隧道设计和后端数据处理2个板块。

3.1.1 前端隧道设计

前端隧道设计通过实现与设计人员的人机交互生成对应的施工图，并支持设计或建设过程中支护参数的调整和设计图纸的变更。前端隧道设计流程如图7所示。

图7 前端隧道设计流程Fig.7 Flowchart of front-end tunnel design

3.1.2 后端数据处理

数据库是一种结构化存储和管理数据的共享仓库，通过与用户的交互共享，可实现隧道设计经验库中数据的自我丰富。

为提高用户使用的便利性，通过在本地计算机增加设计数据临存系统，将其作为中间设计成果的缓存空间，不仅可以实现隧道设计系统的离线操作，还可以通过在临存系统与经验库之间建立相应的数据审核机制，有效保证经验库数据的安全性及准确性。后端数据处理流程如图8所示。

图8 后端数据处理流程Fig.8 Flowchart of back-end data processing

隧道设计经验库是整个隧道信息化设计体系能够正常运转的核心动力，需要大量真实可信的设计数据进行充实和丰富，同时要保证经验库的数据准确性和可修改性。为此，隧道设计经验库提供了2个数据录入端口，即隧道设计系统录入接口和面向全行业收集隧道经验数据的Excel录入接口。隧道信息化设计系统数据流转过程如图9所示。

图9 隧道信息化设计系统数据流转过程Fig.9 Data processing of tunnel informatized design system

3.2 经验数据分析条件及其类型

经验数据分析之前，用户可设定的分析条件主要包括轮廓最大偏差、地质概况关键词、参考设计单位、岩性和岩性匹配方式。岩性匹配共分3种：全、半、无，对应的关键词检索逻辑分别为相等、包含、无(“无”代表数据分析不考虑岩性参数)。

为了保证经验数据分析的准确性，提供的数据检索条件均为必要条件，除上述用户设定的分析条件外，还包括是否浅埋、是否偏压、围岩类型、围岩等级、围岩大变形等级、岩爆等级及瓦斯等级。

公路山岭隧道一般采用复合式衬砌支护，单个支护构件不能体现结构的整体支撑能力，需要对所有支护构件的综合支护参数进行对比研究。支护参数分为以值度量和以规格度量2种类型，用计算机语言描述分别为double值和枚举值。

1)double值。二次衬砌厚度、二次衬砌环向钢筋间距、二次衬砌纵向钢筋间距、初期支护衬砌混凝土厚度、钢架间距、锚杆长度、锚杆纵向间距、锚杆环向间距、拱墙预留变形量和仰拱预留变形量等支护参数类型均为double值。按照行业设计习惯，double值类型的支护参数均具有特征参数(例如：二次衬砌厚度特征参数一般为30、35、40、45 cm……)，参数按向上取特征值的规则进行加强处理。

2)枚举值。二次衬砌环向钢筋规格、二次衬砌纵向钢筋规格、二次衬砌混凝土规格、初期支护混凝土规格、钢架型号、锚杆型号等支护参数类型均为枚举值，例如：混凝土规格的特征参数一般为C15、C20、C25、C30等。

3.3 经验数据分析方法

根据复合式衬砌设计理念可知，二次衬砌主要作为结构安全储备。初期支护主要由初期支护混凝土、钢架和锚杆组成，并结合围岩的自承能力共同组成支护系统，是复合式衬砌的主要承力系统，也是经验数据分析算法的首要考虑因素。

满足分析条件的隧道设计经验数据较多，反馈给设计人员的支护参数值具有唯一性。系统首先按照设定的分析条件得到适合当前结构适用条件的经验数据集合，再根据支护参数分析逻辑(见图10)对所有的设计数据进行相应的分析和提取。图10中，“占比最多”指某个特征参数值在满足条件的经验数据集合中使用频率最高。

支护参数分析逻辑主要包括以下几个步骤：

1)计算二次衬砌厚度及初期支护厚度。按占比最多的原则计算参数推荐值，并剔除与推荐值不同的工程经验数据。

2)计算锚杆型号、钢筋网规格。基于步骤1)得到的经验数据集合，按占比最多的原则计算锚杆型号及钢筋网规格推荐值，并计算对应的单位面积平均锚杆长度(锚杆布置密度)，剔除与推荐值不同的工程经验数据。

3)计算锚杆长度、锚杆环向间距。基于步骤2)得到的经验数据集合计算平均锚杆长度，将其作为初期支护锚杆长度的推荐值，并按占比最多的原则计算锚杆环向间距推荐值。锚杆长度代表初期支护作用半径，是围岩自承能力的重要体现。

4)计算钢架型号、钢架间距。基于步骤1)得到的经验数据集合，按占比最多的原则计算钢架型号及对应的钢架间距推荐值，并剔除与推荐值不同的工程经验数据。

5)基于步骤4)得到的经验数据集合，按占比最多的原则计算钢架间距与对应的锚杆纵向间距比例p。

6)计算锚杆纵向间距。基于步骤4)得到的经验数据集合和钢架间距及步骤5)得到的p值，计算锚杆纵向间距推荐值。

7)人工调整锚杆布置参数。将步骤2)、3)、6)得到的锚杆参数与步骤2)得到的锚杆布置密度进行综合对比分析，并将分析结果反馈给设计人员进行人工确认或调整。

8)判断是否需要设置仰拱、拱墙钢筋及仰拱钢筋。基于步骤1)得到的经验数据集合，按占比最多的原则分析是否需要设置仰拱、拱墙钢筋及仰拱钢筋，并剔除与此原则不同的工程经验数据。

9)计算二次衬砌主筋规格和间距。基于步骤8)得到的经验数据集合，按占比最多的原则计算钢筋规格和对应的纵向间距推荐值。

10)计算箍筋和纵筋规格及间距。基于步骤9)得到的经验数据集合，按占比最多的原则计算箍筋和纵筋规格及间距推荐值。

图10 隧道设计系统的支护参数分析逻辑Fig.10 Analysis logic of supporting parameters in tunnel design system

4 工程应用

川九路中田山隧道长488 m，内轮廓宽度为13 m，洞身围岩类型主要为钙质砂岩及砂质板岩，围岩等级主要为Ⅴ级和Ⅳ级，洞口条件较差，主要为崩坡碎石。采用本文提出的隧道信息化设计系统开展隧道设计，主要步骤如下：

1)根据地勘资料，梳理中田山隧道的内轮廓参数及对应的地质类型，地质类型主要包括地质概况、围岩等级、岩性、岩爆等级、瓦斯等级、大变形等级、是否偏压、是否浅埋等。

2)在步骤1)的基础上，利用隧道通用图设计系统对每种内轮廓及对应的地质类型进行工程经验设计，采用两台阶施工工法，合并具有相同支护参数的衬砌类型，得到本项目衬砌支护参数及对应的通用图。

3)在隧道平纵设计系统中录入相应的工程信息、洞口设计参数、地质参数、路线信息及其他辅助参数。隧道纵断面设计基础参数录入界面如图11所示。中田山隧道地质参数见表4。该设计系统结合工程经验库及地质参数计算支护参数(计算方法同步骤2))，并与步骤2)得到的支护参数进行匹配，得到对应的衬砌支护类型。

4)根据工程实际情况调整设计，并输出工程量表及其他关键信息。表5示出隧道信息化设计系统中得到的中田山隧道衬砌支护参数。K1+555～+605段系统推荐支护设计为A5q。根据地形及地勘资料显示，此段围岩稳定性较差，且偏压较严重，故将设计支护参数在A5q基础上进行了加强。隧道实际施工时，开挖揭露A5衬砌支护段落裂隙较发育。为保证工程安全，锚杆长度由3.0 m变更为3.5 m，其余支护参数与原设计保持一致，施工完成后结构较稳定。

图11 隧道纵断面设计基础参数录入界面Fig.11 Input of interface of route,geology,engineering information,and cave entrance parameters

表4 中田山隧道地质参数Table 4 Geological parameters of Zhongtianshan tunnel

表5 中田山隧道衬砌支护参数Table 5 Support parameters of Zhongtianshan tunnel

5 结论与建议

隧道信息化设计体系将隧道设计绘图与工程经验法相结合，利用数据库管理隧道设计数据，并将此数据作为新建隧道的设计依据，具有以下优势。

1)隧道信息化设计体系以隧道设计绘图作为隧道经验库数据的录入端口，为经验数据的不断丰富奠定坚实的基础。

2)利用此体系通过施工数据调整支护参数及设计图纸，可充分保证经验库中支护参数的可靠性。

3)该设计系统支持选择不同设计单位的经验设计数据作为设计依据，可较好地控制分析结果的质量及有效性。

4)实现设计过程中隧道支护参数的自动反馈，可极大提高隧道的设计效率，为支护参数的合理性提供强有力的依据。

本文提出的隧道信息化设计体系适用于采用工程经验法设计的隧道项目，其考虑了围岩等级、岩性、围岩类型、大变形、瓦斯及岩爆等地质参数对隧道支护参数的影响，但在节理、裂隙及其他特殊地质情况下的程序分析逻辑较复杂，需要更完善的地质资料、更系统的地质参数表达及更成熟的地质分析逻辑。本文提出的设计体系对特殊地质的分析逻辑还比较欠缺，若存在系统未考虑的地质因素，需要设计人员通过人工干预的方式根据实际情况调整支护参数。