淺談地下工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程

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摘　要　地下工程的設(shè)計(jì)過程實(shí)際上是一個(gè)決策過程，是最能綜合反映設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造力甚至審美觀念的一項(xiàng)工作。闡述了地下工程的設(shè)計(jì)步驟及方法。

    地下工程設(shè)計(jì)是采礦、建井及其它巖土工程領(lǐng)域最能綜合反映設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造力甚至審美觀念的一項(xiàng)工作。

    目前，我國有關(guān)的各個(gè)行業(yè)部門幾乎都頒布了與其相關(guān)的地下工程設(shè)計(jì)規(guī)程，設(shè)計(jì)人員所要做的工作似乎僅僅是根據(jù)地質(zhì)勘探資料和業(yè)主提出的任務(wù)照本（規(guī)程）操作，其工作成果通常也僅體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的專業(yè)技術(shù)水平和對(duì)規(guī)程的現(xiàn)解和掌握程度。根據(jù)多年從事煤礦井巷及采礦技術(shù)和管理工作經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，地下工程的設(shè)計(jì)過程實(shí)際上是一個(gè)決策過程。在此過程中，設(shè)計(jì)者要進(jìn)行目標(biāo)確定、條件分析、背景資料檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)、工程項(xiàng)目的實(shí)施方案制定等項(xiàng)工作。完成這些工作不僅要求設(shè)計(jì)者必須掌握相關(guān)的技術(shù)知識(shí)，而且還須考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、法律及美學(xué)等因素。因此，不應(yīng)將地下工程設(shè)計(jì)視作單純的技術(shù)工作。

    1　地下工程的設(shè)計(jì)步驟

    地下工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)包涵多種因素的工作。為了使所設(shè)計(jì)的地下工程結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)效益3個(gè)方面均達(dá)到理想的效果，設(shè)計(jì)應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：

    （1）設(shè)計(jì)目標(biāo)及問題的確定。在著手設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先確定擬設(shè)計(jì)工程應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，或者說，設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面了解業(yè)主建此工程的目的和需求。此外，設(shè)計(jì)者還須了解擬建工程在建設(shè)和運(yùn)營階段可能會(huì)出現(xiàn)的困難。

    （2）信息收集。這一階段工作包括對(duì)有關(guān)信息的收集、處理和篩選，以找出待處理問題的典型特征。要收集的信息是多方面的，既包括礦產(chǎn)資源勘探成果信息和水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察成果信息，也包括待建工程的環(huán)境現(xiàn)狀、同類工程建筑經(jīng)驗(yàn)等信息。

    （3）方案設(shè)計(jì)。在此階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程委托方的需求和已收集到的信息設(shè)計(jì)出數(shù)個(gè)初步方案。在設(shè)計(jì)初步方案時(shí)，設(shè)計(jì)者可以提出一定的假設(shè)，或嘗試不同的模式（數(shù)學(xué)模型或物理模型）。

    （4）方案比較和綜合。本階段也可理解為決策階段。在本階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)業(yè)主及其他專家對(duì)各初步方案的反饋意見，總結(jié)各初步方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出1個(gè)可供實(shí)施的具體方案。該實(shí)施方案應(yīng)包括設(shè)計(jì)思想、計(jì)算模型、計(jì)算依據(jù)、計(jì)算方法、成果預(yù)測(cè)、成本估計(jì)、工程進(jìn)度安排、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等項(xiàng)內(nèi)容。

    （5）方案評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)方案提出后，設(shè)計(jì)人員必須會(huì)同業(yè)主和其他有關(guān)專家一起對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，即將所提出的方案與原始假設(shè)、設(shè)計(jì)說明、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、業(yè)主要求和限制條件等進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)運(yùn)用工程學(xué)的觀點(diǎn)。如果在評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)有缺陷或有更好的方案，設(shè)計(jì)人員則須返回到前面的某個(gè)階段，重新開始設(shè)計(jì)。

    （6）提出建議。結(jié)論和建議是整個(gè)設(shè)計(jì)的精髓，其中對(duì)問題的解決方案要有明確的闡述，指出設(shè)計(jì)的局限性，并指出應(yīng)如何實(shí)施所設(shè)計(jì)的方案。

    2　地下工程的設(shè)計(jì)方法

    地下工程的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括工程選址、工程規(guī)模的確定、工程建筑結(jié)構(gòu)方位與排列布置方式的選擇、掘進(jìn)程序安排、掘進(jìn)方式與支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇等。

    與地面工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所不同的是，地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮應(yīng)力、應(yīng)變等可量化的因素，而且還需考慮巖性、時(shí)效等多種難以量化的因素。因此，地下工程設(shè)計(jì)所使用的方法往往是多種方法的綜合。常涉及3種方法：理論分析法、觀測(cè)比擬法、經(jīng)驗(yàn)類比法。

    理論分析法用于分析和確定硐室圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變。該方法包括解析法、數(shù)值法（有限差分法、有限單元法、邊界元法、離散元法等）和相似模擬法等。

    觀測(cè)比擬法主要用于驗(yàn)證已執(zhí)行設(shè)計(jì)的可靠性，為設(shè)計(jì)的調(diào)整或修改提供依據(jù)。

    經(jīng)驗(yàn)類比法是通過對(duì)已建成的地下工程結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果和穩(wěn)定性條件分析，歸納出對(duì)工程有利或不利的條件類型，然后根據(jù)待建工程的條件類屬提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。目前，經(jīng)驗(yàn)類比法是地下工程設(shè)計(jì)最常用的方法。例如，根據(jù)工程巖體的結(jié)構(gòu)類型確定掘進(jìn)和支護(hù)方式就屬于經(jīng)驗(yàn)類比法。

    應(yīng)當(dāng)指出的是，任何設(shè)計(jì)方法都是建立在工程地質(zhì)信息基礎(chǔ)之上的。工程地質(zhì)信息包括巖體的巖性和結(jié)構(gòu)特征、待建工程所處位置的原始應(yīng)力場(chǎng)、地下水的賦存和逕流條件等。

    3　結(jié)　語

    一份優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是地下工程結(jié)構(gòu)安全、高效建設(shè)和運(yùn)行的基本保障；而設(shè)計(jì)人員的扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及清晰、正確的設(shè)計(jì)思想是優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基本保障。我國的地下工程界今后在培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員的過程中，不僅要重視知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的培養(yǎng)，而且更應(yīng)重視設(shè)計(jì)思路的培養(yǎng)。