淺談地下工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程

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

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

    目前，我國有關(guān)的各個行業(yè)部門幾乎都頒布了與其相關(guān)的地下工程設(shè)計規(guī)程，設(shè)計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)計者的專業(yè)技術(shù)水平和對規(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，筆者認(rèn)為，地下工程的設(shè)計過程實際上是一個決策過程。在此過程中，設(shè)計者要進行目標(biāo)確定、條件分析、背景資料檢驗和評價、工程項目的實施方案制定等項工作。完成這些工作不僅要求設(shè)計者必須掌握相關(guān)的技術(shù)知識，而且還須考慮社會、經(jīng)濟、法律及美學(xué)等因素。因此，不應(yīng)將地下工程設(shè)計視作單純的技術(shù)工作。

    1　地下工程的設(shè)計步驟

    地下工程設(shè)計是一項包涵多種因素的工作。為了使所設(shè)計的地下工程結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟效益3個方面均達到理想的效果，設(shè)計應(yīng)按以下步驟進行：

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

    （2）信息收集。這一階段工作包括對有關(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)驗等信息。

    （3）方案設(shè)計。在此階段，設(shè)計人員根據(jù)工程委托方的需求和已收集到的信息設(shè)計出數(shù)個初步方案。在設(shè)計初步方案時，設(shè)計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)計人員根據(jù)業(yè)主及其他專家對各初步方案的反饋意見，總結(jié)各初步方案的優(yōu)缺點，提出1個可供實施的具體方案。該實施方案應(yīng)包括設(shè)計思想、計算模型、計算依據(jù)、計算方法、成果預(yù)測、成本估計、工程進度安排、實驗結(jié)果等項內(nèi)容。

    （5）方案評價和檢驗。設(shè)計方案提出后，設(shè)計人員必須會同業(yè)主和其他有關(guān)專家一起對方案進行評價，即將所提出的方案與原始假設(shè)、設(shè)計說明、現(xiàn)場實際情況、業(yè)主要求和限制條件等進行比較。設(shè)計方案評價應(yīng)當(dāng)運用工程學(xué)的觀點。如果在評價中發(fā)現(xiàn)設(shè)計有缺陷或有更好的方案，設(shè)計人員則須返回到前面的某個階段，重新開始設(shè)計。

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

    2　地下工程的設(shè)計方法

    地下工程的設(shè)計內(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、掘進程序安排、掘進方式與支護結(jié)構(gòu)的選擇等。

    與地面工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所不同的是，地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮應(yīng)力、應(yīng)變等可量化的因素，而且還需考慮巖性、時效等多種難以量化的因素。因此，地下工程設(shè)計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、觀測比擬法、經(jīng)驗類比法。

    理論分析法用于分析和確定硐室圍巖及支護結(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。

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

    經(jīng)驗類比法是通過對已建成的地下工程結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果和穩(wěn)定性條件分析，歸納出對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)驗類比法是地下工程設(shè)計最常用的方法。例如，根據(jù)工程巖體的結(jié)構(gòu)類型確定掘進和支護方式就屬于經(jīng)驗類比法。

    應(yīng)當(dāng)指出的是，任何設(shè)計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、地下水的賦存和逕流條件等。

    3　結(jié)　語

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