1? 前言

隧道規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)遵循能充分發(fā)揮隧道功能、安全且經(jīng)濟地建設(shè)隧道的基本原則。隧道設(shè)計應(yīng)有完整的勘測、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,以及營運和施工條件,進行多方案的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保比較,使隧道設(shè)計符合安全實用、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進的要求。

2? 隧道設(shè)計概述

隧道三維模型設(shè)計可分為以下幾個流程：1.隧道線路設(shè)計；2.隧道洞身設(shè)計；3.隧道錨桿設(shè)計；4.洞門設(shè)計等?；谒淼赖脑O(shè)計流程，通過達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺建模，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)放到一個平臺下進行協(xié)同設(shè)計，實時在線更新模型，提升設(shè)計效率，來實現(xiàn)隧道模型虛擬展示和設(shè)計驗證。

在基于達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺的基礎(chǔ)上，可以對前期確定的隧道走向、平縱曲線、洞口位置等，進行初步設(shè)計，保留設(shè)計參數(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)濟合理的斷面內(nèi)輪廓，可以對隧道斷面進行參數(shù)化控制，根據(jù)公路等級、設(shè)計速度確定車道數(shù)、建筑限界及襯砌內(nèi)輪廓；對于隧道錨桿，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，簡稱CBD（Component Based Design），通過建立隧道對象類型，封裝方案設(shè)計階段UDF特征模板和深化設(shè)計階段工程模板，并提升產(chǎn)品級別方式，實現(xiàn)跨階段漸進式設(shè)計。

• 用于創(chuàng)建從概念設(shè)計到詳細設(shè)計的重復(fù)使用的部件模板；

• 模型顆粒度從LOD100到LOD350。模板可以是用戶特征和工程模板；

• 可一鍵實例化特征或產(chǎn)品的設(shè)計方法 。

3.2? 對象類型

對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IFC數(shù)據(jù)格式與其他軟件進行數(shù)據(jù)交換。通俗來講就是我們創(chuàng)建的三維模型數(shù)據(jù)可以打上特定的標簽，比如我們創(chuàng)建一個隧道的模型，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。

達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺具備94類AEC對象類型，基本覆蓋常規(guī)設(shè)計需求。其功能包括：

• 通過產(chǎn)品屬性功能管理當前產(chǎn)品類型的IFC屬性，支持自定義IFC屬性；
  

• BIM管理員統(tǒng)籌者基于TXO屬性和類型擴展方式自定義新的對象類型；
  

• 對象類型包含產(chǎn)品構(gòu)件屬性和特定資源表，資源表提供對象定義的3D縮略圖信息、文檔和特征模板、產(chǎn)品模板信息；

• 定義某一業(yè)務(wù)對象為指定的對象類型時，不影響其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

4? 隧道線路設(shè)計

根據(jù)勘測得到的地形、地質(zhì)數(shù)據(jù)，進行隧道的線路設(shè)計。線路設(shè)計流程可分為：

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)，坡度變化過大且沒有平曲線的話車輛容易騰空或者刮碰車輛底盤，造成危險。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，以變坡點為交點，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相鄰縱坡線的交點，被稱為變坡點。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?shù)亟M合，有利于路面排水和改善行車的視線誘導和舒適感。

3D曲線跟道路曲面是指在平曲線跟縱曲線在達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺中都創(chuàng)建好了之后，在土木設(shè)計的模塊中自動生成的道路的空間曲線和曲面。

5? 隧道洞身設(shè)計

5.1? 隧道洞身斷面模板

隧道設(shè)計內(nèi)輪廊,除滿足隧道建筑限界,考慮消防、電力、通風、照明、營運管理等設(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)濟合理,結(jié)合本隧道的工程特點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,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)過計算機斷面優(yōu)化比選,并通過結(jié)構(gòu)計算確定合理拱軸線。

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，并對斷面尺寸進行參數(shù)化控制，通過調(diào)整參數(shù)，控制生成的隧道3D模型。

5.2? 實例化隧道洞身

根據(jù)創(chuàng)建的隧道中心線，創(chuàng)建隧道起訖樁號點，通過隧道中心線及起訖樁號點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)的相對位置，通過調(diào)整樁號，改變不同襯砌類型隧道3D模型生成的位置及長度，使其與地形、地質(zhì)相適應(yīng)。

6? 隧道錨桿設(shè)計

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。從原理來說，主要有幾種：

1、砂漿錨桿懸吊作用:錨桿穿過軟弱、松動、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?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)的松動地層通過錨桿加固，整體性增強，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，相當于將簡單疊合的數(shù)層梁(拱)變成組合梁(拱)。組合梁(拱)的抗彎剛度和強度大為提高，從而增強了地層的承載能力。砂漿錨桿提供的錨固力愈大，作用愈明顯。

6.2 ?實例化隧道錨桿
完成洞身設(shè)計之后，需要對創(chuàng)建好的隧道模型添加錨桿；我們可以通過達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺創(chuàng)建簡單的錨桿模板，如下圖所示：

如上圖所示，創(chuàng)建錨桿的實體特征之后，我們需要把錨桿的建模過程及結(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)，便于我們后面實例化隧道錨桿時，能通過參數(shù)來驅(qū)動模型。將創(chuàng)建好的錨桿UDF用CBD（基于部件的設(shè)計）進行封裝，后面通過調(diào)用CBD模板，來進行多個錨桿的一鍵實例化，提升設(shè)計效率，詳細可見視頻演示。

7? 洞門設(shè)計

洞門設(shè)計理念和設(shè)計原則：隧道洞口位置的確定應(yīng)遵循“早進洞,晚出洞”的原則,不得大刷大挖,確保邊坡及仰坡的穩(wěn)定,同時兼顧洞口地形、地質(zhì)條件、環(huán)境保護、洞外工程等綜合因素,選用經(jīng)濟、美觀、與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)并有利于行車視線誘導的洞門型式。

7.1? 洞口開挖

根據(jù)隧道口所處的地形、地質(zhì)，選擇對應(yīng)的開挖支護方式；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能力比較弱,有的甚至沒有自支護能力。因此,在洞口段施工中最重要的是提高圍巖的自支護能力,保證開挖及后續(xù)作業(yè)的進行。根據(jù)國內(nèi)外的施工經(jīng)驗,提高圍巖自支護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)加固的支護系統(tǒng)下進行的。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、臺階式洞門、柱式洞門、削竹式洞門、遮光棚式洞門等。

這里創(chuàng)建端墻式洞門。

8? 總結(jié)

隧道設(shè)計的思路是在不同里程位置,根據(jù)地質(zhì)圍巖等級、地質(zhì)模型和地形模型,選取適宜該里程段的隧道斷面,通過讀取圍巖斷面里程信息,自動生成隧道洞身模型。在傳統(tǒng)二維設(shè)計中,對于特殊地質(zhì)等情況,一般通過縱斷面進行設(shè)計和特殊措施來進行處理。但通過達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺,可以將隧道模型試放入線路中,從三維視角來觀察地形、地質(zhì)情況對隧道的影響,提高了設(shè)計的準確性。在發(fā)生變更或需要調(diào)整斷面時,只需將斷面模板進行修改,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。