信息化设计与施工及其在高速公路隧道工程中的应用

信息化设计与施工及其在高速公路隧道工程中的应用

闫晓龙

河南省交通规划设计研究院股份有限公司  郑州 450000

摘要：本文从信息化的角度，阐述了信息化的设计与建设技术及其基本原则，指出了在勘察与建设的基础上，以调查与建设为基础，是信息化的设计和建设工作的重点。以高速公路隧道工程为例，采用有限单元方法对其进行了围岩稳定分析和计算，并根据现场观测数据对其进行了初步的设计和施工优化。

关键词：信息化设计；高速公路；隧道工程

引言

随着大量的隧道和地下工程的涌现，工程科技的飞速发展，工程地质勘察设计与施工的系统化、信息化的理念日益深入人心。以往的施工方式是通过地质勘察来获取设计数据，而设计只是为施工提供设计成果，并不涉及施工的全过程，从而导致工程地质勘察、设计与施工的脱离，导致工程事故、工程质量问题和工程成本上升。从目前的角度来看，在施工前、施工后、施工过程中，要时刻关注施工过程中的各种地质情况和施工状态，并将其实时反馈给设计人员，以指导施工，从而实现施工的最佳化。如果将传统的隧道工程与工程方案进行比较，现代施工采用的就是动态性的设计和建设方式。

1.信息化设计与施工的基本思路

在建筑领域，信息化的设计和施工是一种新兴的技术手段，它具有方便、简单、快捷、适用等优点，是今后建筑领域的一大发展趋势。在隧洞工程中采用信息化的设计和施工技术资料，采用数值模拟技术、理论计算、经验模拟等方法，并根据工程实际情况，获取地质资料、围岩力学动态、支护工作状况等相关资料，并运用各种手段对其进行综合力学评价，进而对围岩和支护系统的工作状况进行评价，并将其反馈给工程设计，以便合理选取和修正开挖支护参数，以实现隧道工程的最佳施工[1]。

信息的采集、整理和反馈是信息化建设的关键。与地表施工相比，在勘察、设计、施工等环节允许交叉和重复。通过前期的地质勘察，结合数值模拟分析、经验或力学分析，对预应力进行了预应力分析，并对其进行了初步的选择；在工程建设中，通过对工程的监控，获得了工程围岩的稳定、支护力学、工作状态等资料，从而进行了初步的设计与建设。通过多年的实际工作证明，在进行结构设计与建造时，必须进行相应的调整与修改。新奥法经过将近多年的发展，其关键就是将围岩体视为支撑体系的一个关键部件，并通过监测和测量，进行合理的设计和施工，使其能够最大程度地控制岩体的变形，使其自承载能力最大化。信息化的建筑和建筑都是基于新的理念，而新的三大标准中的实时监控，就像是信息采集、分析和反馈信息一样，可以说是现代信息技术的发展。二者之间的最大差异是由于采用了许多现代化的资讯手段与手段，例如运用电脑技术进行数值模拟与数据处理等，因而对资讯的获取、处理及反馈途径都讲究多渠道多手段；而新奥法以常规测量手段为基础，以获取和回馈为主导，其信息的获取和回馈方式相对单一。因此，采用新奥法进行隧道工程的信息化设计和建设，具有较好的效果。但是，当前的隧道设计和施工技术还未得到普遍的运用，除了由于工程的制度原因之外，还因为缺乏足够的认识。本文的目的在于让信息系统的设计和建设技术能够引起更多的关注和普及[2]。

2.信息化设计与施工的数值模拟技术的发展

新的计算技术成为国内外学者关注的焦点，并且在最近几年得到了飞速的发展。目前已有的几种新的数值计算技术包括：节理单元法、块体理论、非连续变形分析法、快速拉格朗日法、块体弹性单元法、无网络伽辽金法、数值流形法等。反演技术是目前国内外研究的一个热点，也是目前国内外研究的热点问题。从整体上看，可以将其划分成两种类型：应力反向解析法和位移法。因为反演是一个非常繁琐的分析和运算过程，所以需要用数字方法来解决。位移反演就是根据岩土的边坡和变形情况，建立合理的数值模拟，并对其进行合理的工程地质参数，从而为结构的优化设计奠定基础；利用现场观测所得的应力值数据，对某一区域的应力场进行预测是工程中十分必要的，为工程的稳定和优化提供了必要的数据，并对其进行了数值模拟[3]。

通过对其变形和失效的仿真，可以对其进行变形和失效的过程进行研究，从而对其稳定状况进行评估，并对其今后的发展做出预报。在已有的边界和地质模式下进行仿真重现，也就是稳定的状态，然后根据该模式的时延，对其进行时延分析，从而预报其稳定的发展与演变的趋向或破坏模式；二是在边界和主要的仿真中，对以往的发展过程进行仿真，以评估其影响因子，以各种边界和主要影响因子为基础，建立力学模式，并对其进行数值仿真，以求最适合于地质体的变形与破坏状态，以此来决定其变形与破坏的主要影响因子，并以此来评估其稳定性。根据新暴露的岩土工程地质特点及变形、破坏特点，及时调整工程的设计与施工是今后的发展方向。其实由现场的地质勘察、室内试验、地质力学模型抽取、模拟计算、现场校核等各个环节组成，其可靠性主要依赖于对地质原型的认知。

3.信息化设计与施工的监测技术

在信息化建设过程中，现场监测作为信息资源的一项重要组成部分，其检测技术及设备的质量将直接关系到工程的信息化建设。它能监测工程的结构和结构的精确度，监测围岩的安全性和稳定性，在工程中起着举足轻重的作用。监测工作的重点在于：了解岩体动力及支撑结构工作状况，根据测量结果对设计进行修正，并对工程进行引导；对突发事件进行预测，从而能够在发生前预防和预防意外发生；保证隧道的安全性；通过对量测资料的分析、处理和进行必要的计算和判定，对工程的安全性和稳定性做出相应的评价；收集数据，为今后同类项目的施工打下坚实的基础。综上所述，工程监测主要有：地质、支护现状观察、应力应变监测、位移监测、围岩弹性波测试、围岩扰动测试、支护结构检测、支护结构检测等。

在工程建设中，信息获取的途径，除了依靠监测手段、监测仪器和技术力量外，还需要设计者和施工者的紧密合作。目前，在建筑图纸特别是复合衬里的设计中，经常采用的是工程模拟方法，因此，在技术和经济性方面，必须加强现场监控。在高速公路隧道工程技术规程中，提出了使用复合衬砌结构时，应将现场监测和测量纳入工程组织中，并严格遵守。施工中要考虑围岩条件、支护类型和参数、施工方法和目标，并与施工进度保持一致。为了确保工程的安全，避免由于工程建设中出现的大滑坡，造成大塌方造成的经济损失，为工程的设计、建设提供科学依据。地质超前预测的手段有很多，如钻探、硐探、物探、综合评价等。随着现代科学技术的飞速发展，地球物理勘探技术取得了很大的进展，其中最重要的原因就是地球物理仪器的小型化和便携化，使地球物理勘探在有限的挖掘空间中工作起来更为快速和快速，这就使与挖掘工程相结合的实时预测变得可行[4]。

4.信息化设计与施工的信息源

信息采集是设计和建设信息化建设的重点，其信息的获取分为两个阶段：第一阶段是勘察设计阶段，根据勘察资料来决定设计和建设方法；二是施工阶段，搜集施工数周期内勘察、施工方法资料，及时进行反馈、评估，并根据需要对初步设计及施工方法进行修改，以取得较好的施工效果。有关隧洞系统的资料可以通过下列途径获得：由工程师的设计和建造的经历所概括的经验资料；通过地质调查、勘探等方法获取的观测资料；理论资料，通过理论计算、实验研究等方式获取的资料；通过超前预测、实际开挖及建设等方面的资料；利用监测设备，掌握隧道洞室位移、应力等参数的动态。由于工程岩土结构本身的复杂程度，以往所获得的资料还很少，因此更多、更可信的资料来源于建筑资料，也就是建筑资料。本文认为，信息工程建设的目标是尽可能地从挖掘工程中获得尽可能多的资料，并对其进行分析和处理，以便对工程进行回馈和引导[5]。

5.结语

由于施工中不稳定的原因，施工中经常会遇到一些不稳定的问题。在我国隧道工程建设中，许多安全隐患往往是因隧道建设时的地质环境发生了改变，而设计与建设部门之间的协调不到位所致。因此让信息化设计与施工合理结合，就能避免类似危险发生，提升隧道建设质量。

参考文献

[1] 王耀峰,李学东,李鹏. 信息化设计与施工及其在高速公路隧道工程中的应用[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程）,2005,32(8):60-62. DOI:10.3969/j.issn.1672-7428.2005.08.022.

[2] 李鹏. 高速公路复杂地层双联拱隧道施工工艺控制与优化——以湖北襄十高速公路襄武段双联拱隧道为例[D]. 中国地质大学(武汉),2003.

[3] 徐健,陈璋,李学东,等. 信息化设计与施工在高速公路隧道建设中应用探讨[J]. 中外公路,2004,24(6):78-82. DOI:10.3969/j.issn.1671-2579.2004.06.023.

[4] 张胜云,刘钊,徐江波,等. 信息化设计与施工技术在隧道工程中的发展与应用[J]. 西部探矿工程,2005,17(2):109-111. DOI:10.3969/j.issn.1004-5716.2005.02.059.

[5] 翟军. 信息化施工技术在隧道工程中的应用[J]. 建筑工程技术与设计,2018(12):253.