1 前言
隧道規(guī)劃和設(shè)計(jì)應(yīng)遵循能充分發(fā)揮隧道功能、安全且經(jīng)濟(jì)地建設(shè)隧道的基本原則。隧道設(shè)計(jì)應(yīng)有完整的勘測(cè)、調(diào)查資料,綜合考慮地形、地質(zhì)、水文、氣象、地震和交通量,及其構(gòu)成,以及營(yíng)運(yùn)和施工條件,進(jìn)行多方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保比較,使隧道設(shè)計(jì)符合安全實(shí)用、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的要求。
2 隧道設(shè)計(jì)概述
隧道三維模型設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)流程：1.隧道線路設(shè)計(jì)；2.隧道洞身設(shè)計(jì)；3.隧道錨桿設(shè)計(jì)；4.洞門設(shè)計(jì)等?；谒淼赖脑O(shè)計(jì)流程，通過(guò)達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)建模，可以把道路專業(yè)、隧道專業(yè)、橋梁專業(yè)（如果有橋梁段）等多專業(yè)放到一個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)在線更新模型，提升設(shè)計(jì)效率，來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道模型虛擬展示和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。
在基于達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)前期確定的隧道走向、平縱曲線、洞口位置等，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，保留設(shè)計(jì)參數(shù)；后面根據(jù)地形、地質(zhì)等其他因素，調(diào)整隧道走向、平縱曲線、洞口位置。在滿足隧道功能和結(jié)構(gòu)受力良好的前提下,確定經(jīng)濟(jì)合理的斷面內(nèi)輪廓，可以對(duì)隧道斷面進(jìn)行參數(shù)化控制，根據(jù)公路等級(jí)、設(shè)計(jì)速度確定車道數(shù)、建筑限界及襯砌內(nèi)輪廓；對(duì)于隧道錨桿，隧道洞身等結(jié)構(gòu)模型，可以應(yīng)用CBD的方式來(lái)分段批量創(chuàng)建，更改參數(shù)尺寸，提升創(chuàng)建效率。
3 CBD概述
3.1 基本概念：
基于部件的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)稱CBD（Component Based Design），通過(guò)建立隧道對(duì)象類型，封裝方案設(shè)計(jì)階段UDF特征模板和深化設(shè)計(jì)階段工程模板，并提升產(chǎn)品級(jí)別方式，實(shí)現(xiàn)跨階段漸進(jìn)式設(shè)計(jì)。
1）用于創(chuàng)建從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的重復(fù)使用的部件模板；
2）模型顆粒度從LOD100到LOD350。模板可以是用戶特征和工程模板；
3）可一鍵實(shí)例化特征或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法 。
3.2 對(duì)象類型
對(duì)象類型是指帶有待定IFC屬性類型的AEC產(chǎn)品類型，支持通過(guò)IFC數(shù)據(jù)格式與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通俗來(lái)講就是我們創(chuàng)建的三維模型數(shù)據(jù)可以打上特定的標(biāo)簽，比如我們創(chuàng)建一個(gè)隧道的模型，就可以使用隧道類型的AEC產(chǎn)品類型去創(chuàng)建，同理道路的模型就可以使用道路類型的AEC產(chǎn)品類型去創(chuàng)建。
達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)具備94類AEC對(duì)象類型，基本覆蓋常規(guī)設(shè)計(jì)需求。其功能包括：
1）通過(guò)產(chǎn)品屬性功能管理當(dāng)前產(chǎn)品類型的IFC屬性，支持自定義IFC屬性；
2）BIM管理員統(tǒng)籌者基于TXO屬性和類型擴(kuò)展方式自定義新的對(duì)象類型；
3）對(duì)象類型包含產(chǎn)品構(gòu)件屬性和特定資源表，資源表提供對(duì)象定義的3D縮略圖信息、文檔和特征模板、產(chǎn)品模板信息；
4）定義某一業(yè)務(wù)對(duì)象為指定的對(duì)象類型時(shí)，不影響其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
4 隧道線路設(shè)計(jì)
根據(jù)勘測(cè)得到的地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道的線路設(shè)計(jì)。線路設(shè)計(jì)流程可分為：
1、平曲線；
2、縱曲線；
3、3D曲線；
4、道路曲面。
其中平曲線是指不同坡度的道路之間，用于過(guò)渡的曲線。作用是防止坡度突然變化影響車輛的平穩(wěn)，坡度變化過(guò)大且沒(méi)有平曲線的話車輛容易騰空或者刮碰車輛底盤，造成危險(xiǎn)。平曲線是由直線、圓曲線與緩和曲線組成。
縱曲線（豎曲線）是指在線路縱斷面上，以變坡點(diǎn)為交點(diǎn)，連接兩相鄰坡段的曲線。豎曲線有凸形和凹形兩種。在道路縱斷面上兩個(gè)相鄰縱坡線的交點(diǎn)，被稱為變坡點(diǎn)。為了保證行車安全、舒適以及視距的需要，在變坡處設(shè)置豎曲線。豎曲線的主要作用是：緩和縱向變坡處行車動(dòng)量變化而產(chǎn)生的沖擊作用，確保道路縱向行車視距；將豎曲線與平曲線恰當(dāng)?shù)亟M合，有利于路面排水和改善行車的視線誘導(dǎo)和舒適感。
3D曲線跟道路曲面是指在平曲線跟縱曲線在達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)中都創(chuàng)建好了之后，在土木設(shè)計(jì)的模塊中自動(dòng)生成的道路的空間曲線和曲面，詳細(xì)可見(jiàn)視頻中的演示。
5 隧道洞身設(shè)計(jì)
5.1 隧道洞身斷面模板
隧道設(shè)計(jì)內(nèi)輪廊,除滿足隧道建筑限界,考慮消防、電力、通風(fēng)、照明、營(yíng)運(yùn)管理等設(shè)備及管線所需要的空間;并應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,結(jié)合本隧道的工程特點(diǎn)和邊界條件以確定隧道內(nèi)輪廓尺寸。在擬定隧道內(nèi)輪廓時(shí),為了減少圍巖和隧道襯砌產(chǎn)生應(yīng)力集中,襯砌斷面盡量做到圓順,不帶拐角,在能滿足隧道建筑限界的前提下,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)斷面優(yōu)化比選,并通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定合理拱軸線。
根據(jù)確定的隧道內(nèi)輪廓，創(chuàng)建隧道洞身模板，繪制出隧道斷面輪廓，并對(duì)斷面尺寸進(jìn)行參數(shù)化控制，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，控制生成的隧道3D模型。
5.2 實(shí)例化隧道洞身
根據(jù)創(chuàng)建的隧道中心線，創(chuàng)建隧道起訖樁號(hào)點(diǎn)，通過(guò)隧道中心線及起訖樁號(hào)點(diǎn)批量生成不同襯砌類型的隧道段；觀察模型中隧道與地形、地質(zhì)的相對(duì)位置，通過(guò)調(diào)整樁號(hào)，改變不同襯砌類型隧道3D模型生成的位置及長(zhǎng)度，使其與地形、地質(zhì)相適應(yīng)。
6 隧道錨桿設(shè)計(jì)
6.1 隧道錨桿作用
隧道里的砂漿錨桿的作用主要是加固巖土體，控制變形，防止坍塌。從原理來(lái)說(shuō)，主要有幾種：
1、砂漿錨桿懸吊作用:錨桿穿過(guò)軟弱、松動(dòng)、不穩(wěn)定的巖土體，錨固在深盡穩(wěn)定的巖土體上，提供足夠的拉力，克服滑落巖土體的自重和下滑力，防止洞壁滑移、塌落。
2、擠壓加固作用:砂漿錨桿受力后，在周圍一定范圍內(nèi)形成壓縮區(qū)。將錨桿片以適當(dāng)?shù)姆绞脚帕?，使相鄰砂漿錨桿各自形成的壓縮區(qū)相互重疊形成壓縮帶。壓縮帶內(nèi)的松動(dòng)地層通過(guò)錨桿加固，整體性增強(qiáng)，承載能力提高。
3、組合梁(拱)作用:錨桿插入地層內(nèi)一定深度后，在錨固力作用下的地層間相互擠壓，層間摩阻力增大，內(nèi)應(yīng)力和撓度大為減小，相當(dāng)于將簡(jiǎn)單疊合的數(shù)層梁(拱)變成組合梁(拱)。組合梁(拱)的抗彎剛度和強(qiáng)度大為提高，從而增強(qiáng)了地層的承載能力。砂漿錨桿提供的錨固力愈大，作用愈明顯。
6.2 實(shí)例化隧道錨桿
完成洞身設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)創(chuàng)建好的隧道模型添加錨桿；我們可以通過(guò)達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)創(chuàng)建簡(jiǎn)單的錨桿模板，如下圖所示：
如上圖所示，創(chuàng)建錨桿的實(shí)體特征之后，我們需要把錨桿的建模過(guò)程及結(jié)果模型創(chuàng)建為錨桿UDF（用戶自定義特征）模板，并發(fā)布錨桿中相應(yīng)的參數(shù)，便于我們后面實(shí)例化隧道錨桿時(shí)，能通過(guò)參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)模型。將創(chuàng)建好的錨桿UDF用CBD（基于部件的設(shè)計(jì)）進(jìn)行封裝，后面通過(guò)調(diào)用CBD模板，來(lái)進(jìn)行多個(gè)錨桿的一鍵實(shí)例化，提升設(shè)計(jì)效率，詳細(xì)可見(jiàn)視頻演示。
7 洞門設(shè)計(jì)
洞門設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)原則：隧道洞口位置的確定應(yīng)遵循“早進(jìn)洞,晚出洞”的原則,不得大刷大挖,確保邊坡及仰坡的穩(wěn)定,同時(shí)兼顧洞口地形、地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)、洞外工程等綜合因素,選用經(jīng)濟(jì)、美觀、與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)并有利于行車視線誘導(dǎo)的洞門型式。
7.1 洞口開(kāi)挖
根據(jù)隧道口所處的地形、地質(zhì)，選擇對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖支護(hù)方式；隧道洞口的作用：隧道洞口段圍巖預(yù)加固措施洞口段圍巖的自支護(hù)能力比較弱,有的甚至沒(méi)有自支護(hù)能力。因此,在洞口段施工中最重要的是提高圍巖的自支護(hù)能力,保證開(kāi)挖及后續(xù)作業(yè)的進(jìn)行。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的施工經(jīng)驗(yàn),提高圍巖自支護(hù)能力的基本方法是控制圍巖的坍塌、松弛。洞口施工大多是在預(yù)加固的支護(hù)系統(tǒng)下進(jìn)行的。尤其是在淺埋、破碎、滑坡、崩塌、軟弱、地下水豐富并具有軟弱夾層等極易發(fā)生滑移、坍場(chǎng)的地段,更需要采取綜合預(yù)加固措施。
7.2 洞門創(chuàng)建
隧道洞口的主要表現(xiàn)形式有端墻式洞門、翼墻式洞門、環(huán)框式洞門、臺(tái)階式洞門、柱式洞門、削竹式洞門、遮光棚式洞門等。
8 總結(jié)
隧道設(shè)計(jì)的思路是在不同里程位置,根據(jù)地質(zhì)圍巖等級(jí)、地質(zhì)模型和地形模型,選取適宜該里程段的隧道斷面,通過(guò)讀取圍巖斷面里程信息,自動(dòng)生成隧道洞身模型。在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中,對(duì)于特殊地質(zhì)等情況,一般通過(guò)縱斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)和特殊措施來(lái)進(jìn)行處理。但通過(guò)達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái),可以將隧道模型試放入線路中,從三維視角來(lái)觀察地形、地質(zhì)情況對(duì)隧道的影響,提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。在發(fā)生變更或需要調(diào)整斷面時(shí),只需將斷面模板進(jìn)行修改,選取里程刷新模型,即可完成模型的修改，大大提升了工作效率。
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