摘要 介紹公路隧道計算機輔助設計CAD 系統的設計思想、原理、組成及主要功能。
根據我國公路建設的總體規劃, 到本世紀末, 高等級公路將貫穿兩縱、兩橫4 條國道主干線, 連接100 多個大、中城市, 全長約1145 萬km , 3 條總長3 320km 的國道主干線將在2000 年建成汽車專用公路。面對公路建設迅速發展, 隧道設計日益繁重的局面, 必須改變手工或計算機描圖等傳統設計方法, 開發公路隧道CAD 系統。
70 年代以來, 隨著計算機技術的發展, CAD 技術在國內外得以迅速發展并在許多領域取得了可喜的成果。在隧道設計方面也進行了一些初步嘗試, 但還局限于少量計算機圖紙繪制和局部計算上, 難以形成一套完整的計算機系統。
公路隧道CAD 系統作為公路隧道整體式襯砌計算機輔助設計系統的第一代產品, 已于1995 年由我院研制成功, 并通過沈陽鐵路局級鑒定, 鑒定認為該系統已達到當代國內先進水平。目前, 該系統已在公路隧道設計中得以應用。
1 設計思想和原則
11 襯砌形式為直墻、曲墻拱型整體式襯砌。
21 系統按規范進行設計, 借鑒鐵路隧道設計經驗, 同時考慮南北地區差別。
31 功能上主要解決復雜的計算和繁瑣的圖紙繪制。
41 界面良好, 兼容性強, 功能完善。
2 系統主要組成、設計原理及功能
公路隧道CAD 系統是以FOXPRO 系統為軟件開發平臺, 采用4 GL 編制而成。主要由信息輸入軟件、計算軟件和繪圖軟件3 大模塊組成, 其內容涉及隧道橫、縱斷面設計、洞門設計、防排水設計、明洞設計等幾大系統。
211 信息輸入軟件
隧道設計所需各種原始數據及參數均通過人機交互界面輸入, 并存入共享數據庫, 可隨時修改。另外, 該軟件擁有強大的, 解釋性的隨機幫助系統, 輸入數據時如有疑問, 可隨時按熱鍵【shift + F1 】查詢。
11 橫縱斷面信息輸入
橫縱斷面信息是隧道設計中反映山體地形的原始數據, 由現場測量而得, 是決定隧道長度、道路坡度等內容的主要因素。當信息輸入后, 軟件將根據測點里程對測點進行自動排序并保存。設計者可通過繪圖軟件繪制不同比例的草圖進行設計方案比選。
21 地質信息輸入
地質信息輸入除需輸入由現場勘探及試驗分析獲得的基礎數據外, 還需輸入襯砌混凝土及襯砌內力分析所需的各種參數。軟件將按《公路隧道設計規范》自動計算判別隧道是否深埋、淺埋或偏壓。 31 內外輪廓尺寸擬定
隧道內外輪廓尺寸擬定是隧道設計的重心部分, 直接關系著隧道的穩固性及工程造價。一般來說, 隧道內輪廓是由隧道限界而定, 其凈寬是固定的, 其凈高可通過邊墻高及拱高來調整。同時, 隧道襯砌厚度又決定著隧道外輪廓尺寸。要使隧道內外輪廓尺寸設計合理, 通常需經過多次試算、調整才能優化設計。該軟件的單心直墻、三心直墻、三心曲墻3 種國際標準界面成功地使數據輸入、修改變得非常方便。當某些影響因素發生變化時, 可通過計算機迅速計算。并可通過繪圖軟件繪制橫斷面圖供設計者進行優化設計。
41 明洞配筋設計
在隧道出入口附近及覆蓋層很薄的地段, 一般需設明洞。設計者先擬定明洞內外輪廓尺寸, 再從滾動窗口中選擇鋼筋材料、主筋直徑、縱筋直徑、箍筋直徑及輸入箍筋間距、保護層厚度等。軟件將自動計算各單元節點處的安全系數。
51 洞門尺寸擬定
隧道洞門型式很多, 常見的有端墻式、翼墻式和柱式3 種, 該軟件針對3 種洞門的結構特點分別設計了數據輸入界面, 設計者可根據交互界面的數據輸入要求擬定洞門細部尺寸。也可在ACAD 下調用標準洞門圖并修改其尺寸進行設計。系統自動檢算其穩定性及強度, 并提出數據修改建議。
61 電纜槽尺寸擬定
電纜槽是隧道的附屬設備, 通常設在人行道板下面。該軟件可完成電纜槽細部尺寸擬定, 并可設計電纜槽蓋板尺寸及配筋。同時, 繪制電纜槽大樣圖, 并對材料的組成及數量加以統計。
71 洞內排水溝設計
該軟件根據南北地區的氣候差異, 可設計兩種排水方式。在氣候溫和地區采用單側溝或雙側溝排水, 在氣候寒冷地區采用中心暗溝排水并設保溫出水。同時, 生成排水溝大樣圖及主要工程數量表。
212 計算軟件
該軟件全部用C 語言編制而成, 主要由內外輪廓尺寸計算、襯砌內力分析計算、明洞配筋計算及洞門穩定性計算等幾個子程序組成。
11 內外輪廓尺寸計算
該軟件根據設計者擬定的內外輪廓尺寸計算隧道內外拱半徑、曲邊墻半徑、仰拱半徑、圓心角及圓心位置等。并可通過繪圖軟件繪制標準格式的橫斷面設計圖。同時, 軟件計算土石開挖量、襯砌混凝土量(包括仰拱或底版) 等, 并根據不同的圍巖類別分別按6cm 、8cm 、10cm 、12cm 計算超挖回填量。
21 襯砌內力分析計算
襯砌內力分析計算一直是手工設計中的難點, 需經過多次重復計算才能使襯砌輪廓尺寸設計合理。一般手工設計隧道的計算方法是鏈桿法, 即把拱圈簡化為拱腳彈性固定于圍巖上的無鉸拱, 邊墻按彈性地基梁進行分析計算, 并未考慮襯砌與圍巖之間的共同作用, 因此不能真實地反映襯砌受力及變形的實際情況。該軟件采用的矩陣位移法是按照局部變形理論的溫氏(Winkler) 假定, 以彈性抗力系數K 來體現圍巖與襯砌之間相互制約相互傳力的共同作用, 大大提高了襯砌內力分析精度。使襯砌輪廓尺寸設計更趨于合理。
根據矩陣位移法計算襯砌的基本步驟, 該軟件的主要計算功能如下:
1.(1) 根據設計者輸入的襯砌內外輪廓尺寸、襯砌離散單元數等將襯砌斷面分為若干個長度相等的等直桿單元, 計算各單元的長度L 、面積S 、慣性矩I 、單元軸線與水平線夾角α、各節點半徑方向與豎直軸的夾角ψ及節點處彈性鏈桿的作用長度L ′。
( 2) 將作用在襯砌上的垂直、水平圍巖壓力及襯砌自重按深埋、淺埋或偏壓化為等效節點荷載。
( 3) 按矩陣位移法進行襯砌內力分析, 計算各節點處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q 。
( 4) 計算軸向力偏心矩E 及強度安全系數K 。
31 明洞配筋計算
按明洞斷面輪廓尺寸進行內力分析, 計算各節點處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q , 根據內力結果計算隧道縱向每延長米主筋根數, 并檢算襯砌截面最小配筋率, 統計鋼筋種類及數量。
41 洞門計算
洞門的作用在于抵抗邊坡和仰坡地層的主動側壓力, 防止邊坡和仰坡的坍塌, 因此可視為擋土墻, 按庫侖理論進行計算。
1. (1) 將端墻式洞門視為具有很大孔洞的擋土墻, 檢算端墻最高、受力最大部分的強度及穩定性, 并以此確定整個洞門墻的主要擬定尺寸是否合理。洞門墻臺階埋入部分及洞門墻和襯砌連接部分, 對洞門結構的穩定性有利, 不考慮其影響因素是偏于安全的。
(2) 翼墻式洞門是由洞門墻和翼墻一起共同承受隧道縱向和橫向的主動水平壓力, 其本身是一個空間結構, 為了簡化計算, 該軟件分別驗算下列內容:
a1 驗算翼墻 取洞門端墻址前之翼墻寬1m 的條帶, 不考慮翼墻與端墻間的連結抗剪作用, 除驗算墻身的強度和穩定性外, 還驗算基底的偏心及進行應力檢算。
b1 驗算端墻 取端墻最不利部分, 驗算其強度偏心。如果端墻和洞口環節襯砌不是用同一材料整體砌筑時, 軟件還將驗算整個端墻強度及穩定性。
c1 端墻與翼墻共同作用的驗算 驗算翼墻與端墻連結部分的端墻自重和翼墻全部重量共同抵抗作用在翼墻與端墻連結部分的端墻上的土層主動水平壓力, 使之不會滑動。
(3) 柱式洞門視其是否帶有翼墻, 分別按翼墻式、端墻式洞門驗算。
213 繪圖軟件
該軟件全部用內嵌在AutoCAD 下的L ISP 語言編制而成, 采用圖形數據庫控制圖紙生成。可完成以下各類圖紙的繪制: 隧道縱斷面設計圖; 不同圍巖類別的襯砌斷面設計圖; 明洞襯砌斷面設計圖; 明洞配筋設計圖; 洞門平面設計圖; 洞門立面設計圖; 襯砌防排水設計圖; 洞內排水設計圖; 中心排水溝及檢查井設計圖(寒冷地區); 排水側溝設計圖; 電纜槽及其蓋板配筋設計圖; 噴錨支護設計圖; 保溫出水口設計圖(寒冷地區) 。以上各類圖紙約占隧道設計總圖紙量的85 % 左右, 且圖紙設計質量及繪制精度大為提高, 減輕了設計人員的勞動強度, 縮短了工程設計周期。
3 系統的特點
1. (1) 該系統是在國內6 座中長隧道設計的基礎上開發的, 既充分體現了以往設計的精華, 又在研制過程中, 咨詢專家, 研究各子系統的數學模型及工程算法, 從而使系統能夠較充分地滿足工程設計的需要。
(2) 該系統層次、模塊結構清晰, 且每個子系統都具有獨立功能, 用戶可根據需要改變系統執行流程或增減系統功能, 使系統執行流程達到最優效果。
(3) 采用國際標準用戶界面, 符合應用軟件系統的發展潮流, 使用方便、靈活, 用戶界面友好。
(4) 以FOXPRO 系統、C 語言、L ISP 語言作為開發環境, 使系統具有較好的升級性、兼容性和可移植性。
(5) 系統運行的中間結果可全部打印, 并把用戶輸入的原始數據按統一的文檔規范制成文檔文件, 以備查詢和存檔。
(6) 強大的圖文混合隨機幫助, 用戶可隨時獲得所需的各種信息。
4 應用前景及效益分析
411 應用前景
目前我國公路建設迅速發展, 隧道工程設計任務日益繁重, 迫切需要縮短工程設計周期, 減輕設計人員的勞動強度。該系統必將在公路建設中得到充分的應用。同時, 隨著公路建設的不斷發展和完善, 人們對設計質量的要求必將更高, 需要設計手段及方法更加科學化和現代化, 因此該系統的應用前景是相當廣闊的。
該系統的模塊化設計結構為將開發的隧道通風和照明設計系統、輔助坑道設計系統等預留了接口。并即將移植到Windows 系統中, 另外, 該系統也可用于鐵路隧道工程設計及防空洞等地下工程設計中, 因此, 將來的更高級版系統功能將更加充實和先進。其完善的后期維護及不斷的版本升級必將使其推廣前景更加廣闊。
412 效益分析
該系統在實際工程應用中表明: 利用該系統優化襯砌斷面, 可使襯砌斷面厚度減小5～10cm , 按隧道凈寬1015m 計算, 每延長米隧道可節省圬工1125m3 左右, 節約工程投資011 萬元以上。
由于該系統的應用, 使隧道工程的初步設計和施工圖設計速度成倍地提高, 可以將大量的工程技術力量從繁雜的、重復性的計算和簡單的手工描圖中解放出來, 而把主要精力集中在設計方案構思等關鍵性技術問題上。
另外,該系統的應用避免了人工計算和繪圖差錯, 可提高設計圖紙的質量,也是其明顯的技術效益。
根據我國公路建設的總體規劃, 到本世紀末, 高等級公路將貫穿兩縱、兩橫4 條國道主干線, 連接100 多個大、中城市, 全長約1145 萬km , 3 條總長3 320km 的國道主干線將在2000 年建成汽車專用公路。面對公路建設迅速發展, 隧道設計日益繁重的局面, 必須改變手工或計算機描圖等傳統設計方法, 開發公路隧道CAD 系統。
70 年代以來, 隨著計算機技術的發展, CAD 技術在國內外得以迅速發展并在許多領域取得了可喜的成果。在隧道設計方面也進行了一些初步嘗試, 但還局限于少量計算機圖紙繪制和局部計算上, 難以形成一套完整的計算機系統。
公路隧道CAD 系統作為公路隧道整體式襯砌計算機輔助設計系統的第一代產品, 已于1995 年由我院研制成功, 并通過沈陽鐵路局級鑒定, 鑒定認為該系統已達到當代國內先進水平。目前, 該系統已在公路隧道設計中得以應用。
1 設計思想和原則
11 襯砌形式為直墻、曲墻拱型整體式襯砌。
21 系統按規范進行設計, 借鑒鐵路隧道設計經驗, 同時考慮南北地區差別。
31 功能上主要解決復雜的計算和繁瑣的圖紙繪制。
41 界面良好, 兼容性強, 功能完善。
2 系統主要組成、設計原理及功能
公路隧道CAD 系統是以FOXPRO 系統為軟件開發平臺, 采用4 GL 編制而成。主要由信息輸入軟件、計算軟件和繪圖軟件3 大模塊組成, 其內容涉及隧道橫、縱斷面設計、洞門設計、防排水設計、明洞設計等幾大系統。
211 信息輸入軟件
隧道設計所需各種原始數據及參數均通過人機交互界面輸入, 并存入共享數據庫, 可隨時修改。另外, 該軟件擁有強大的, 解釋性的隨機幫助系統, 輸入數據時如有疑問, 可隨時按熱鍵【shift + F1 】查詢。
11 橫縱斷面信息輸入
橫縱斷面信息是隧道設計中反映山體地形的原始數據, 由現場測量而得, 是決定隧道長度、道路坡度等內容的主要因素。當信息輸入后, 軟件將根據測點里程對測點進行自動排序并保存。設計者可通過繪圖軟件繪制不同比例的草圖進行設計方案比選。
21 地質信息輸入
地質信息輸入除需輸入由現場勘探及試驗分析獲得的基礎數據外, 還需輸入襯砌混凝土及襯砌內力分析所需的各種參數。軟件將按《公路隧道設計規范》自動計算判別隧道是否深埋、淺埋或偏壓。 31 內外輪廓尺寸擬定
隧道內外輪廓尺寸擬定是隧道設計的重心部分, 直接關系著隧道的穩固性及工程造價。一般來說, 隧道內輪廓是由隧道限界而定, 其凈寬是固定的, 其凈高可通過邊墻高及拱高來調整。同時, 隧道襯砌厚度又決定著隧道外輪廓尺寸。要使隧道內外輪廓尺寸設計合理, 通常需經過多次試算、調整才能優化設計。該軟件的單心直墻、三心直墻、三心曲墻3 種國際標準界面成功地使數據輸入、修改變得非常方便。當某些影響因素發生變化時, 可通過計算機迅速計算。并可通過繪圖軟件繪制橫斷面圖供設計者進行優化設計。
41 明洞配筋設計
在隧道出入口附近及覆蓋層很薄的地段, 一般需設明洞。設計者先擬定明洞內外輪廓尺寸, 再從滾動窗口中選擇鋼筋材料、主筋直徑、縱筋直徑、箍筋直徑及輸入箍筋間距、保護層厚度等。軟件將自動計算各單元節點處的安全系數。
51 洞門尺寸擬定
隧道洞門型式很多, 常見的有端墻式、翼墻式和柱式3 種, 該軟件針對3 種洞門的結構特點分別設計了數據輸入界面, 設計者可根據交互界面的數據輸入要求擬定洞門細部尺寸。也可在ACAD 下調用標準洞門圖并修改其尺寸進行設計。系統自動檢算其穩定性及強度, 并提出數據修改建議。
61 電纜槽尺寸擬定
電纜槽是隧道的附屬設備, 通常設在人行道板下面。該軟件可完成電纜槽細部尺寸擬定, 并可設計電纜槽蓋板尺寸及配筋。同時, 繪制電纜槽大樣圖, 并對材料的組成及數量加以統計。
71 洞內排水溝設計
該軟件根據南北地區的氣候差異, 可設計兩種排水方式。在氣候溫和地區采用單側溝或雙側溝排水, 在氣候寒冷地區采用中心暗溝排水并設保溫出水。同時, 生成排水溝大樣圖及主要工程數量表。
212 計算軟件
該軟件全部用C 語言編制而成, 主要由內外輪廓尺寸計算、襯砌內力分析計算、明洞配筋計算及洞門穩定性計算等幾個子程序組成。
11 內外輪廓尺寸計算
該軟件根據設計者擬定的內外輪廓尺寸計算隧道內外拱半徑、曲邊墻半徑、仰拱半徑、圓心角及圓心位置等。并可通過繪圖軟件繪制標準格式的橫斷面設計圖。同時, 軟件計算土石開挖量、襯砌混凝土量(包括仰拱或底版) 等, 并根據不同的圍巖類別分別按6cm 、8cm 、10cm 、12cm 計算超挖回填量。
21 襯砌內力分析計算
襯砌內力分析計算一直是手工設計中的難點, 需經過多次重復計算才能使襯砌輪廓尺寸設計合理。一般手工設計隧道的計算方法是鏈桿法, 即把拱圈簡化為拱腳彈性固定于圍巖上的無鉸拱, 邊墻按彈性地基梁進行分析計算, 并未考慮襯砌與圍巖之間的共同作用, 因此不能真實地反映襯砌受力及變形的實際情況。該軟件采用的矩陣位移法是按照局部變形理論的溫氏(Winkler) 假定, 以彈性抗力系數K 來體現圍巖與襯砌之間相互制約相互傳力的共同作用, 大大提高了襯砌內力分析精度。使襯砌輪廓尺寸設計更趨于合理。
根據矩陣位移法計算襯砌的基本步驟, 該軟件的主要計算功能如下:
1.(1) 根據設計者輸入的襯砌內外輪廓尺寸、襯砌離散單元數等將襯砌斷面分為若干個長度相等的等直桿單元, 計算各單元的長度L 、面積S 、慣性矩I 、單元軸線與水平線夾角α、各節點半徑方向與豎直軸的夾角ψ及節點處彈性鏈桿的作用長度L ′。
( 2) 將作用在襯砌上的垂直、水平圍巖壓力及襯砌自重按深埋、淺埋或偏壓化為等效節點荷載。
( 3) 按矩陣位移法進行襯砌內力分析, 計算各節點處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q 。
( 4) 計算軸向力偏心矩E 及強度安全系數K 。
31 明洞配筋計算
按明洞斷面輪廓尺寸進行內力分析, 計算各節點處的彎矩M 、軸力N 及剪力Q , 根據內力結果計算隧道縱向每延長米主筋根數, 并檢算襯砌截面最小配筋率, 統計鋼筋種類及數量。
41 洞門計算
洞門的作用在于抵抗邊坡和仰坡地層的主動側壓力, 防止邊坡和仰坡的坍塌, 因此可視為擋土墻, 按庫侖理論進行計算。
1. (1) 將端墻式洞門視為具有很大孔洞的擋土墻, 檢算端墻最高、受力最大部分的強度及穩定性, 并以此確定整個洞門墻的主要擬定尺寸是否合理。洞門墻臺階埋入部分及洞門墻和襯砌連接部分, 對洞門結構的穩定性有利, 不考慮其影響因素是偏于安全的。
(2) 翼墻式洞門是由洞門墻和翼墻一起共同承受隧道縱向和橫向的主動水平壓力, 其本身是一個空間結構, 為了簡化計算, 該軟件分別驗算下列內容:
a1 驗算翼墻 取洞門端墻址前之翼墻寬1m 的條帶, 不考慮翼墻與端墻間的連結抗剪作用, 除驗算墻身的強度和穩定性外, 還驗算基底的偏心及進行應力檢算。
b1 驗算端墻 取端墻最不利部分, 驗算其強度偏心。如果端墻和洞口環節襯砌不是用同一材料整體砌筑時, 軟件還將驗算整個端墻強度及穩定性。
c1 端墻與翼墻共同作用的驗算 驗算翼墻與端墻連結部分的端墻自重和翼墻全部重量共同抵抗作用在翼墻與端墻連結部分的端墻上的土層主動水平壓力, 使之不會滑動。
(3) 柱式洞門視其是否帶有翼墻, 分別按翼墻式、端墻式洞門驗算。
213 繪圖軟件
該軟件全部用內嵌在AutoCAD 下的L ISP 語言編制而成, 采用圖形數據庫控制圖紙生成。可完成以下各類圖紙的繪制: 隧道縱斷面設計圖; 不同圍巖類別的襯砌斷面設計圖; 明洞襯砌斷面設計圖; 明洞配筋設計圖; 洞門平面設計圖; 洞門立面設計圖; 襯砌防排水設計圖; 洞內排水設計圖; 中心排水溝及檢查井設計圖(寒冷地區); 排水側溝設計圖; 電纜槽及其蓋板配筋設計圖; 噴錨支護設計圖; 保溫出水口設計圖(寒冷地區) 。以上各類圖紙約占隧道設計總圖紙量的85 % 左右, 且圖紙設計質量及繪制精度大為提高, 減輕了設計人員的勞動強度, 縮短了工程設計周期。
3 系統的特點
1. (1) 該系統是在國內6 座中長隧道設計的基礎上開發的, 既充分體現了以往設計的精華, 又在研制過程中, 咨詢專家, 研究各子系統的數學模型及工程算法, 從而使系統能夠較充分地滿足工程設計的需要。
(2) 該系統層次、模塊結構清晰, 且每個子系統都具有獨立功能, 用戶可根據需要改變系統執行流程或增減系統功能, 使系統執行流程達到最優效果。
(3) 采用國際標準用戶界面, 符合應用軟件系統的發展潮流, 使用方便、靈活, 用戶界面友好。
(4) 以FOXPRO 系統、C 語言、L ISP 語言作為開發環境, 使系統具有較好的升級性、兼容性和可移植性。
(5) 系統運行的中間結果可全部打印, 并把用戶輸入的原始數據按統一的文檔規范制成文檔文件, 以備查詢和存檔。
(6) 強大的圖文混合隨機幫助, 用戶可隨時獲得所需的各種信息。
4 應用前景及效益分析
411 應用前景
目前我國公路建設迅速發展, 隧道工程設計任務日益繁重, 迫切需要縮短工程設計周期, 減輕設計人員的勞動強度。該系統必將在公路建設中得到充分的應用。同時, 隨著公路建設的不斷發展和完善, 人們對設計質量的要求必將更高, 需要設計手段及方法更加科學化和現代化, 因此該系統的應用前景是相當廣闊的。
該系統的模塊化設計結構為將開發的隧道通風和照明設計系統、輔助坑道設計系統等預留了接口。并即將移植到Windows 系統中, 另外, 該系統也可用于鐵路隧道工程設計及防空洞等地下工程設計中, 因此, 將來的更高級版系統功能將更加充實和先進。其完善的后期維護及不斷的版本升級必將使其推廣前景更加廣闊。
412 效益分析
該系統在實際工程應用中表明: 利用該系統優化襯砌斷面, 可使襯砌斷面厚度減小5～10cm , 按隧道凈寬1015m 計算, 每延長米隧道可節省圬工1125m3 左右, 節約工程投資011 萬元以上。
由于該系統的應用, 使隧道工程的初步設計和施工圖設計速度成倍地提高, 可以將大量的工程技術力量從繁雜的、重復性的計算和簡單的手工描圖中解放出來, 而把主要精力集中在設計方案構思等關鍵性技術問題上。
另外,該系統的應用避免了人工計算和繪圖差錯, 可提高設計圖紙的質量,也是其明顯的技術效益。
