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浅析隧道工程动态设计的原理和方法研究

　　论文摘要:隧道工程由于不确定性因素多，套用地面结构的设计理念和模型设计隧道具有很大局限性，动态设计方法就是在此背景下发展起来的一种隧道工程设计方法。介绍了动态设计在公路隧道中的主要应用，分析动态设计的原理及主要设计方法。
　　引言
目前，公路或公路隧道的设训方法有多种，其中常用的大体上分两种方法。一种是力学分析设计方法，即根据地面建筑工程的力学分析方法，确定结构、荷载和材料的三要素，工程师首先计算荷载，然后选择结构类型和材料，最后通过力学计算确定结构几何尺寸工程建设通常按地质勘察、设计、施工的程叫衣次进行这种方法是用荷载一结构模型作力学让算，并常用于衬砌结构设计。另一种是工程类比法或称经验酬七法，即首先对工程围岩进行分类，然后根据有关规范或标准进行断这种酬土方法常用于锚喷支护。
但是由于隧道工程施工时水文地质环境复杂，不确定性因素很多，使得套用地面结构的设计理念和模型设计隧道结构物具有很大局限性，而由工程类比法确定其酬参封寸又有一定的盲目性。动态设计方法就是在此背景下发展起来的一种隧道工程设引方法。
1动态侧十在公路隧道中的应用
调整支护设钊参数和施工方法，确定合理的支护时匀U是目傲讼路隧道动态设计的核心内容。
确定二次支护
隧道二次支护日引的选择如前面所述。对于一般软弱围岩仰拱灌注时间可在围岩稳定以后，二次支护之前进行而对于极差的围岩及塑性流变地层，当位移量和位移速度很大时，仰拱灌注应尽早进行。当围岩变形量不大，而围岩压力与喷层应力很大时，则应适当延迟封底时间，以提高支护的柔性。
调整锚喷支护参数
当围岩位移速率或位移量超过允许值时，一般应增加锚杆数量、减刁卡豺干间距。锚杆长度应大于测泪得的松动区范围，并留有一定富裕量。如量测显示锚杆后段的拉应变很小和出现压应变时，可适当减刁锚杆的长度。当锚杆轴向力大于锚杆屈服度时，应优先考虑改变锚杆材料，采用高强钢材。增加锚杆数量或直径也可获得降低锚杆应力的效果。
初期喷层厚度一般按规范设计，当初期喷层厚度较小，喷层应力大或围岩扫扮大，喷层出现明显裂损时，座查当加厚初期喷层厚度。若喷层厚度已较大时，可增加锚杆数量，调整锚杆参数或施工方法，改变仰拱封底时间以减、初期喷层受力状况。当测得的喷层内的叻较大，而达不到规起安全度时，必须增加最后喷层的厚度或改变二次支护的时间。对于其它形式的支妇气受训参数，也应在现场的基础上作出利拉的调整。
调整施工方案
当测得的位移速率或位移量超过允许值时，除加强支护外还应调整施工方法，如缩短台阶层数，提育招猫喷支护的时间和仰拱封底时间。如这种方案仍未能使变形速度降至允许值之下，则应对开挖面进行加固，如采用先支护稳定顶部围岩，用喷身打昆凝土及锚杆等稳定掌子面。
2动态训十的基勿二原理与主要内容
动态设计方法的原理主要是通过现场观测和监控量测获得关于围岩稳定性和支护系统口二作状态的各类信息，然后对监控量测数据进行必、要的力学计算和理论分析，按照一定的围岩稳定判别准则，来评价围岩稳定性和支护系统功能的经济性与安全性，借以修改和确定支护系统的设计参数、支护时机和旅门策，达到优化工程设计和施工的目的。通过对开挖过程中掌子面的地质素描，来重新判定围岩.级别，或者校核预设计围岩的级别，必要时应对支护系统和施工方法、施工组织进行相应的调整通过在开挖过程中的量狈(来监控围岩和支护系统的动态并把量测信息和分析结果反馈到设计中，从而进一步修改和完善预设计的支护参数等，并指导后续施工。这样就使得设训和施工更符合或接近工程实际，也能够适应复杂多变的地质条件和各种不同白饥敝工环境。
　　动态设计方法并不排斥以往的各种力学计算、模型试验及经验类比等设计方法，而是最大限度地把它们包容在自己的决策支持系统中去，充分发挥各种方法特有的长处。动态设计方法是将监测技术、力学计算、数值分析和经验评估等融为一体的隧道工程凿十方法。
动态设计的主要内容包括现场量测、量测数据处理及信息反馈、修改或调整十参数和施工方法三个方面。现场量钡!包括选择量测项目、量测手段、量测方法及测点布置等内容。数据处理包括分衬闹院处理目的、处理项目和处理方法以及测试数据的表达形式;量测数据反馈一般有定性反馈验反馈内定量反馈(论反馈)。定性反馈是根据人们工程实践经验及上的推理所拥导的一些准则，直接通过量测数据与这些准则的比较而反馈于设计与施工。定量反馈则是以测讨得的数据作为计算参数，通过力学计算进行反馈。定量反馈也有两种形式尸种是直接以测试数据作为计算参数进行反锡壮刹阵另一种是根据量测数据反算出一般计算方法中的计算参数，然后再按一般计算方法进行反馈计算，即所谓反分析法。修改或调整侧参数和施工方法是根据施工中水文地质调查结果、量测信息反馈结果以及工程其它信息的分析，提出支护系统设计参数修正，施工方法的调整，并形成新的设计成果。
3动态设计的主要方法
模糊数学方法
由于隧道工程本身具有的复杂性、随机性和模糊性，加之某些方面理论研究的不完善，模型和对象之间有时是不精确和不确定的，有些情况下应用模糊模型更符合工程实际。近年来，模糊在岩土及隧道工程岩体;彬及、围岩稳定性分类、方案优选和评判等也得到了广勿左用。模糊理论主要包括模糊模型识别、模糊聚类分析、模糊决策、
　　模糊综合评判、模糊控制等。模糊模型是指模型中，模型是模糊的，即标准模型库中的模型是模糊的。模糊聚类分析就是用模糊数学方法研究和处理所给症织寸象的分类。它建立起了样本对于类别的不确定性的描述，更能客观地反映现实世界。模糊综合评判就是用模糊数学对受到多种因素制约的对象做出一个总体评价。模糊决策理论就是通妞比寸备选方案和评价指标之间构造模糊评价他阵，来进行方案优选的方法。模糊决策方法正成为决策领域中一荆良实用的工具。
2程类比法
工程类比法通常有直接对比法和间接类比法两种。在进行工程类比侧相寸，主要考虑工程条件和工程地质条件两个方面。前者包括工程类型、工程规模、工程形状与尺寸及施工方法等方面因素;而后者主要包括工程地质条件的复杂性、岩体强度和岩体完整性、地下水影响程度和地应力条件等因素。直接类比法一般是将新建工程的工程条件和工程地质条件两方面因素，与上述条件基本相同的已建工程进行对比，由此确定支护参数及衬砌结构参数，并对工程施工方案等进行相应调整。间接类比法一般是根据现行的团十规范，按上述两种类比方法都是从定性的角度，在工程设计中应用工程类比法。
灰色系统理论法
灰色系统理论是研究系统分析、建模、预测、决策和控制的理论。灰色预测就是利用灰色过程中所显示现象既是随机的、杂乱无章的，也是有序的、有界的这一潜在规律，建立灰色模型对系统进行分析预测。灰色预测通常是指对在一定方位内变化的、与时间有关的灰色过程的预测。灰色决策理论，是指从某一事件或工程的又创液中，挑选出一个或多个效果最佳的又撰域方案来应对目标事件或工程。最常用的是灰色系统关联分析法和灰色局势策方法。上及隧道工程影响因素较多，其周围环境、工程地质条件和施工条件等是模糊的、不确定的，所获得的信息也是有限的，具有灰色系统的特点，非常适合灰色理论的应用条件。近年来，灰色理论GSA逐渐被引人到岩土及隧道工程中，主要用于系统的分析、预测、决策和控制等。